西羅莫司抑制由抗原和細胞因子（白介素[IL]-2、IL-4 和IL-15）激發的T 淋巴細胞的活化和增殖，此作用機制與其它免疫抑制劑截然不同。西羅莫司亦抑制抗體的產生。在細胞中，西羅莫司與免疫嗜素，即FK 結合蛋白-12（FKBP-12）結合，生成一個免疫抑制復合物。此西羅莫司FKBP-12 復合物對鈣調磷酸酶的活性無影響。此復合物與哺乳動物的西羅莫司靶分子（mTOR，一種關鍵的調節激酶）結合，并抑制其活性。此種抑制阻遏了細胞因子驅動的T 細胞的增殖，即抑制細胞周期中G1 期向S 期的發展。
實驗模型研究表明，西羅莫司可延長小鼠、大鼠、豬和/或靈長目動物的同種異體移植物（腎、心、皮膚、胰島、小腸、胰-十二指腸和骨髓）的存活期。西羅莫司可逆轉大鼠的心和腎同種異體移植的急性排斥反應，并延長預致敏化大鼠的移植器官存活期。在一些研究中，西羅莫司的免疫抑制作用可持續至停止治療后6 個月。此種免疫耐受性作用是同種抗原特異性的。
在嚙齒類動物的自身免疫疾病模型中，西羅莫司抑制與下列疾病有關的免疫介導反應：系統性紅斑狼瘡、膠原蛋白引發的關節炎、自身免疫性I 型糖尿病、自身免疫性心肌炎、實驗性過敏性腦脊髓炎、移植物抗宿主病和自身免疫性眼色素層視網膜炎。