Важную роль в их развитии играет тимус. Дифференцировка Т-лимфоцитов начинается уже в период эмбрионального развития. В вилочковой железе создается особое микроокружение за счет тимического эпителия, влияющее на дифференцировку Т-лимфоцитов.

Предшественники Т-лимфоцитов заселяют вилочковую железу, пролиферируют там, превращаются в Т-лимфоциты, а затем мигрируют в тимусзависимые зоны периферические органы иммунной системы, где приобретают способность к специфической активации. Под влиянием стромальных элементов лимфоциты приобретают способность реагировать на стимулы микроокружения, т.е. на тимические факторы, и синтезировать специфические маркеры тимоцитов и Т-лимфоцитов.

Процесс пролиферации лимфоцитов в вилочковой железе протекает очень интенсивно, но не все клетки мигрируют из вилочковой железы в виде Т-лимфоцитов: большинство из них там же погибает. Полагают, что причиной их гибели служит присоединение антигена к антигенспецифическому рецептору этих клеток. В вилочковой железе нет чужеродных антигенов, вот почему этот механизм может служить для удаления Т-лимфоцитов, способных реагировать с аутоструктурами организма, т.е. защищать его от аутоиммунных реакций. Специфическое взаимодействие с антигеном служит началом процесса дифференцировки в зрелые и долгоживущие клетки, составляющие большую часть рециркулирующих Т-лимфоцитов.

Т-лимфоцит, аналогично В-лимфоциту, несет на своей поверхности специфические рецепторы для распознавания антигенов. Структурная основа процесса узнавания антигена до сих пор неизвестна.

У всех иммунокомпетентных Т-лимфоцитов антигенный рецептор нековалентно, но достаточно прочно связан в комплекс с молекулой Т3, состоящей из пяти пептидных цепей, которая участвует в передаче сигнала от узнающего антиген гетеродимера внутрь клетки. Таким образом, рецептор Т-лимфоцитов представляет собой комплекс, образованный гетеродимером и Т3 (или СД3).