合成免疫學是執行復雜免疫功能的合成系統的合理設計和構建。功能包括使用特定的細胞標記物來靶向細胞進行破壞和/或干擾免疫反應。美國食品和藥物管理局(FDA)批準的免疫系統調節劑包括抗炎劑和免疫抑制劑、疫苗、治療性抗體和Toll樣受體(TLR)激動劑。

研究人員正在探索創造能夠執行復雜免疫任務的“智能”生物體，例如噬菌體和細菌。此類策略可以產生具有多步免疫功能的生物體，例如以特定方式向輔助T細胞呈遞抗原并共同刺激，或向B細胞提供整合信號以在抗體產生過程中誘導親和力成熟和同種型轉換。此類工程生物有可能與益生菌一樣安全且便宜，但在進行有針對性的干預方面卻很精確。

抗體療法和其他“生物制劑”已被證明可有效治療從類風濕性關節炎到癌癥的各種疾病。然而，這些藥劑會引起不希望的過敏或炎癥反應，通過注射給藥并且價格昂貴。相比之下，小分子通常生產成本低廉，口服生物可利用并且很少引起過敏。合成抗體招募小分子已經被創造出來，將天然抗體重定向到病原體進行破壞。

單個轉錄因子的缺失使??成熟的B細胞能夠通過去分化和再分化轉化為T細胞。可以控制細胞命運的技術包括誘導多能干細胞形成和使用小分子誘導干細胞分化為特定細胞類型的策略。去分化可用于將自身免疫細胞轉變為無活性的祖細胞或抑制移植器官的排斥反應。

2016年，研究人員將成纖維細胞轉分化為誘導神經干細胞。該團隊將細胞混合到FDA批準的手術膠中，提供物理支持基質。他們將結果施用于小鼠。存活時間從160%增加到220%，具體取決于腫瘤的類型。

治療性疫苗用于治療和免疫已經感染特定疾病的患者。Provenge是一種過繼性細胞轉移療法，患者的抗原呈遞靶向自體前列腺癌組織。化學生物學的進展包括調節B細胞活化的合成分子、結構復雜的碳水化合物腫瘤抗原和佐劑合成、免疫原性化學治療劑和化學均質的合成疫苗。