益生菌可以提高人体免疫力，主要通过特异性免疫和非特异性免疫两种方式。特异性免疫，又称获得性免疫，包括细胞免疫和体液免疫。
1、细胞免疫
细胞免疫是以T淋巴细胞为核心的免疫应答。当T细胞与某些病原体接触后，在巨噬细胞参与下，T细胞进行分化、增殖为免疫T细胞，其中主要是辅助性T细胞Ⅰ（CD4ThⅠ细胞）和细胞毒性T细胞（CTL细胞）。其中CTL有杀伤力，使外源细胞破裂而死亡。 Th细胞分泌白细胞介素等细胞因子使Tc等各种有吞噬能力的白细胞集中于外来细胞周围，将外来细胞彻底消灭。肠固有层淋巴细胞主要是CD4T细胞，乳酸菌对固有层CD4细胞有刺激作用，能产生干扰素，增强单核吞噬细胞的吞噬作用，杀死肠道病毒及其他细菌。肠上皮淋巴细胞主要是CD8T细胞，自然杀伤活性强，对病毒感染有免疫监视的作用，乳酸菌能使肠上皮淋巴细胞毒活性增强，并能诱生多种淋巴因子，其中IL-10能增强单核巨噬细胞的吞噬。例如，双歧杆菌可以刺激小鼠树突状细胞产生大量IL-10，瑞士乳杆菌R389可以降低小鼠血清中IL-6而提高IL-10水平。
2、体液免疫
体液免疫是由特异性抗体起主要作用的免疫应答反应。机体免疫系统可以合成、分泌五类免疫球蛋白，分别是IgA、IgG、IgM、IgE和IgD，这些抗体可以识别并特异性结合抗原、介导免疫细胞活性、增强吞噬细胞的吞噬功能，其中IgA的特异性免疫功能尤为重要。一些动物实验说明益生菌能通过改善肠粘膜屏障功能，促进特异性和非特异性IgA抗体的产生，增强免疫系统的功能。鼠李糖乳杆菌可活化康细胞凋亡蛋白激酶，通过诱导产生TNF-α来抑制小鼠结肠上皮细胞凋亡，在小鼠脾细胞中则增加IF-6的分泌，上调黏膜表面的IgA抗体水平。双歧杆菌的可溶性物质或整个细胞能通过M细胞进入集合淋巴细胞，激活Th2细胞，产生大量的IF-5，能活化集合淋巴细胞生发中心大B细胞，使其转化为浆细胞产生sIgA，排列到肠道黏膜上，由于双歧杆菌含有肠道寄生菌共同抗原，因此sIgA能与大肠埃希氏菌为代表的肠内细菌反应，阻断了它们同肠道黏膜上皮细胞的吸附和穿透作用。