La loro funzione principale consiste nell'uccidere le cellule bersaglio, esprimenti peptidi antigenici associati a molecole del complesso maggiore di istocompatibilità (MHC). I CTL esplicano la loro azione contro cellule infettate da virus, poiché questi ultimi proliferano al loro interno per rifugiarsi dall'attacco degli anticorpi, prevenendone la diffusione; usano perforine, Ras-L, TNFα e altre molecole citotossiche. La glicoproteina CD8 promuove l'adesione alle cellule bersaglio infette da virus, legando le molecole MHC della classe I.Inoltre essi sono responsabili del rigetto acuto dei trapianti e di quello dei tumori.