胸腺是T淋巴细胞早期分化的场所，不断培育并向周围器官输送处女型T淋巴细胞，由淋巴组织和结缔组织组成。胸腺的淋巴组织主要由上皮性网状细胞、淋巴细胞和巨噬细胞组成，称为中枢淋巴组织。
胸腺位于胸腔内，在上纵隔的前部和上部，正对胸骨柄的后方。在新生儿和幼儿时期胸腺发达，体积较大。胸腺分为左、右两叶，不对称，成人胸腺重 25~40 克，色灰红，质柔软，在胚胎期是造血器官，在成年期可造淋巴细胞、浆细胞和髓细胞。性成熟期后，开始萎缩，并逐渐变小。
（1）胸腺的结构：胸腺表面有薄层结缔组织被膜，被膜结缔组织成片状伸入胸腺实质内形成小叶间隔，将胸腺分隔成许多不完整的小叶。每个小叶均由皮质和髓质两部分组成。皮质内胸腺细胞密集，故着色较深；髓质内上皮细胞较多，故着色较浅。小叶髓质在胸腺深部相互连接。
皮质以胸腺上皮细胞为支架，间隙内含有大量胸腺细胞和少量巨噬细胞等。
皮质的上皮细胞有被膜下，上皮细胞和星形上皮细胞两种。被膜下，上皮细胞与结缔组织相邻的一侧平坦无突起，相邻细胞间有许多桥粒连接；细胞的另一侧则有一些突起。有的细胞的胞质较丰富，胞质内含有一些内吞的胸腺细胞，类似胸腺分离细胞中所见的哺育细胞。哺育细胞是一种大的圆形或椭圆形细胞，胞质内含有数个至数十个胸腺细胞，它们是 TH细胞的前身。被膜下，上皮细胞分泌胸腺素（thymosin）和胸腺生成素（thymopoietin）。星形上皮细胞即通常所说的上皮性网状细胞，具有多个分支状突起，突起间以桥粒相互连接成网。细胞表面标志与被膜下，上皮细胞不同，但与胸腺小体上皮细胞相同，表面具有大量的MHC抗原。此种细胞不分泌激素，其基膜紧贴胸腺细胞，有诱导胸腺细胞发育分化的作用。
另一种为胸腺细胞，即T细胞的前身，它们密集存在于皮质内，占胸腺皮质细胞总数的85%~90%。淋巴干细胞迁入胸腺后，首先发育为体积较大的早期胸腺细胞（约占 3%），核内富有常染色质，核仁明显，胞质强嗜碱性，多分布在皮质深层，细胞分裂快，常可见分裂相，它们经增殖后成为较小的普通胸腺细胞；普通胸腺细胞的特点为开始出现T细胞抗原受体，并逐渐出现CD4和CD8抗原，此种细胞约占胸腺细胞总数的75%，它们对抗原尚无应答能力。普通胸腺细胞正处于被选择期，凡能与机体自身抗原相结合或与自身MHC抗原不相容的胸腺细胞（约占胸腺细胞的95%）将被灭活或淘汰，少数选定的细胞则继续分化从而建立起符合机体需要的淋巴细胞TCR库。进一步成熟的普通胸腺细胞，其CD4和CD8之中有一种增强，另一种减弱或消失，最终形成 CD4+（约占 2/3）或 CD8+（约占 1/3）的细胞。成熟的T细胞，穿过皮质与髓质之间的毛细血管后微静脉，循血流迁移至周围淋巴器官或淋巴组织的特定区域。胸腺内有丰富的神经末梢，它们终止于胸腺细胞之间或上皮细胞及巨噬细胞附近，而胸腺细胞的表面具有多种神经递质的受体，表明神经对胸腺细胞的发育和分化具有调节作用。
在胸腺的髓质内含大量胸腺上皮细胞和少量成熟胸腺细胞、交错突细胞和巨噬细胞。上皮细胞有两种：①髓质上皮细胞。胞体较大，呈球形或多边形，细胞间以桥粒相连，间隙内有少量胸腺细胞。髓质上皮细胞是分泌胸腺激素的主要细胞。②胸腺小体上皮细胞。构成胸腺小体，胸腺小体直径30~150微米，散在分布于髓质内，由上皮细胞呈同心圆状包绕排列而成，是胸腺的重要结构特征。胸腺小体最外层的细胞除含有较多的角蛋白外，细胞器不发达，中层细胞有丰富的细胞器，张力丝少，近中心部的细胞张力丝增多，小体中心的细胞呈嗜酸性染色，细胞核及细胞界线消失，细胞破碎出现透明变性，中心还常见巨噬细胞或嗜酸粒细胞。胸腺小体的功能不甚清楚，可能是清除网状细胞及胸腺细胞的场所。胸腺小体上皮细胞不分泌胸腺激素，但缺乏胸腺小体的胸腺不能培育出T细胞，有人实验发现机体注射抗原几天后，胸腺小体中可查到抗原，从而认为胸腺小体具有捕获抗原的功能并与免疫有关。
类肌细胞于婴幼儿胸腺髓质内较多，成人髓质也有少数。类肌细胞可能来自鳃弓的原始肌细胞，形态结构类似骨骼肌，光镜下可见横纹，电镜下可见肌丝及肌节的明带与暗带。细胞膜上有乙酰胆碱受体，有收缩运动。类肌细胞与上皮性网状细胞之间有桥粒相连。研究发现：重症肌无力患者常有胸腺肿大，而胸腺肿大者50%~70%有重症肌无力，患者胸腺淋巴细胞有抗肌细胞膜表面的乙酰胆碱受体的作用，血中也有此抗体，有人认为这种自身免疫疾病的发生可能与胸腺内类肌细胞有关，某些病例切除胸腺后有好转。
胸腺内还有不同类型的单核吞噬细胞，被膜下的单核吞噬细胞吞噬作用活跃，负责清除死亡的胸腺细胞；在皮质髓质交界处或髓质深部有较多单核吞噬细胞，但很少含吞噬颗粒，有些是树枝状交错突细胞，可能是向淋巴细胞递呈抗原的细胞，吞噬能力很弱。
（2）胸腺的血液供应及血-胸腺屏障：几条小动脉穿越胸腺被膜进入小叶间隔，在皮质与髓质交界处形成微动脉，并发出许多毛细血管分布于皮质，毛细血管汇入皮质髓质交界处的毛细血管后微静脉，其中部分微静脉为高内皮，它是胸腺内淋巴细胞进出血流的主要通道。髓质内的有孔型毛细血管汇入微静脉后经小叶间隔和被膜出胸腺。皮质的毛细血管及其周围结构具有屏障作用，称血-胸腺屏障，使血液中的大分子物质不易进入胸腺皮质内。血-胸腺屏障由下列数层构成：①连续性毛细血管内皮。②内皮基膜。③血管周隙，其中含有巨噬细胞。④上皮基膜。⑤一层连续的上皮细胞。
近来的研究表明，胸腺被膜的毛细血管为有孔型，血液中的各种自身抗原可经此进入靠近被膜的胸腺皮质。未成熟的普通胸腺细胞的抗原受体与这些微量的自身抗原结合后，导致该细胞的灭活或淘汰，从而使胸腺产生的某些T细胞对自身抗原具有免疫耐受性或无应答性。髓质血管的周隙较大，其中含有T细胞、B细胞、浆细胞、肥大细胞、嗜酸粒细胞、成纤维细胞和脂肪细胞等多种细胞成分；大的血管周隙内还含有毛细淋巴管，其内含较多的淋巴细胞，可能是胸腺输出淋巴细胞的另一条出路。
（3）胸腺的功能：胸腺是培育和选择T细胞的重要器官。胸腺上皮细胞分泌的胸腺素和胸腺生成素均能促进胸腺细胞的分化，巨噬细胞和交错突细胞也参与胸腺内微环境的形成。胸腺培育出各种具有特异性抗原受体的处女型T细胞，经血流输送至周围淋巴器官和淋巴组织。
（4）胸腺的发生：胸腺发生于胚胎第5周，第3对咽囊腹侧分上皮和第3对鳃沟外胚层上皮增生，并有小部分第4对咽囊及神经嵴成分参与，形成左右两条细长管状突出，细管向胚体尾侧生长，第6周抵达胚体胸骨后纵隔内，两末端向中线靠拢，上皮细胞增生，使管腔闭锁形成实心细胞索，相互愈合形成球状的胸腺原基，细胞索的根部退化消失。如果细胞索的根部未完全退化消失，残存的细胞可在颈部形成胸腺组织，称副胸腺。胸腺原基中的内胚层和外胚层细胞分化为胸腺上皮细胞；由造血器官迁入胸腺原基的淋巴干细胞，分化为胸腺细胞。
胸腺的结构随年龄有明显的变化。幼儿期的胸腺较大，重为 10~15 克，皮质发达。青春期为 30~40 克，皮质渐薄，而髓质明显。随性成熟，胸腺逐渐退化，皮质逐渐变薄，胸腺细胞逐渐减少，皮质与髓质的分界渐不明显，而胸腺小体则增大，脂肪细胞逐渐增多。85岁以上老人的胸腺皮质很少。疾病或多种应激刺激可引起胸腺急性萎缩。一般认为在出生数周后，一旦T细胞抗原受体发生和周围T细胞循环池已建立，胸腺就失去了重要的生理意义。也有人认为胸腺的功能保持终生。
胸腺的功能较为复杂，除可产生参与机体细胞免疫反应的T淋巴细胞外，还具有内分泌功能。胸腺产生的胸腺素能使骨髓干细胞在胸腺内分化发育为成熟的T淋巴细胞，再经血液循环迁移到周围淋巴器官，参与机体的免疫反应。促胸腺生成素可促使包括胸腺本身在内的淋巴细胞分化为可参与免疫反应的T淋巴细胞。此外，胸腺素对于运动神经末梢释放和合成乙酰胆碱有抑制功能，故胸腺素过多时，引起神经肌肉传导障碍，出现重症肌无力。
胸腺素又称为胸腺肽，属于多肽类，主要通过影响人体免疫系统中的T细胞的功能，而起到抗感染、抗衰老、抗肿瘤的作用；胸腺素还可影响神经内分泌的功能，如遗传性无胸腺裸鼠或摘除胸腺的动物，其肾上腺组织结构发生改变。新生小鼠去胸腺后，出现进行性生长迟缓。移植胸腺可纠正这些变化。现已证实，胸腺的上述作用主要是由胸腺上皮细胞分泌的胸腺素介导的。胸腺功能亢进时通过此途径能改变神经肌肉接头的传递，与重症肌无力发生有关。可见胸腺在内分泌与神经系统间起着重要的联系作用。另外，胸腺也是一个中枢淋巴器官。
胸腺是一个淋巴器官兼有内分泌功能。胸腺的网状上皮细胞可分泌胸腺素，它可促进具有免疫功能的T细胞的产生和成熟，并能抑制运动神经末梢的乙酰胆碱的合成与释放。因此，当患胸腺瘤时，因胸腺素增多，可导致神经肌肉传导障碍而出现重症肌无力。重症肌无力的患者，一般都长有胸腺瘤。