正常生理情况下，PD-1在活化的T、B细胞、NK细胞、单核细胞和DC表面均有表达，与处于APC细胞表面的PD-L1（即B7-H1）、PD-L2（即B7-DC）等相互作用，抑制T细胞的过度活化，维持机体免疫稳态。然而，在许多类型的肿瘤中，肿瘤细胞表面往往异常高表达的PD-L1分子，与肿瘤浸润T淋巴细胞表面的PD-1分子结合，从而抑制T细胞的正常活化，避免肿瘤细胞被T细胞杀伤，最终实现肿瘤的免疫逃逸。抗PD-1或PD-L1抗体能够阻断肿瘤PD-L1和T细胞PD-1的结合，消除这一免疫抑制效应，使得T细胞重新被激活，识别并杀伤癌细胞。在肿瘤部位，抗PD-1抗体还可以结合巨噬细胞表面的Fcγ受体，介导调节性T细胞的消耗，从而上调T细胞的比例，增强抗肿瘤能力。
与化疗和其它治疗性抗体不同之处在于，这类抗体能够直接作用于自身免疫系统，重新激活免疫细胞使其恢复杀伤肿瘤细胞的能力；此外，由于T细胞具有记忆能力，被激活的T细胞能够长期保持杀伤肿瘤细胞的能力，从而维持机体对肿瘤的免疫应答，给患者带来长期生存获益。抗PD-1抗体可以阻断肿瘤细胞中的免疫抑制效应，重新活化T细胞并杀伤肿瘤。目前已有多个用于肿瘤免疫治疗的抗PD-1或PD-L1抗体先后被FDA批准上市，其中有代表性的产品有：BMS开发的抗PD-1抗体Nivolumab（商品名Opdivo）、默沙东的抗PD-1抗体Pembrolizumab（商品名Keytruda）、以及罗氏公司的抗PD-L1抗体Atezolizumab（商品名Tecentriq）、辉瑞/德国默克的抗PD-L1抗体Avelumab（商品名Bavencio）和阿斯利康的抗PD-L1抗体Durvalumab（商品名Imfinzi）等，这些抗体中不乏被FDA认定为“突破性药物”的明星产品。
Nivolumab治疗经治非小细胞肺癌(NSCLC)的Ⅰ期研究CA209-003提示，Nivolumab治疗晚期NSCLC 的5年生存率可达16%，而且75%的5年存活患者仍在应答。Nivolumab治疗经治NSCLC的Ⅲ期研究CheckMate-017/057也显示，鳞癌、非鳞癌患者使用Nivolumab后，3年生存率可达16%和18%，分别有26%、23%的患者仍在持续缓解中。在Pembrolizumab的临床III期试验中，811名晚期黑色素瘤患者2年总体生存率为55％。Pembrolizumab能够将晚期黑色素瘤患者的预期寿命提高1.14岁；Keynote-001研究也显示，Pembrolizumab用于晚期NSCLC患者，3年生存率达19%。相关文章：PD-1抑制剂最新进展：KEYTRUDA和OPDIVO差距已经不大。
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