除了作為紫外線自由基清除劑的作用外，黑素細胞也是免疫系統的一部分，被認為是免疫細胞。雖然黑色素細胞在免疫反應中的全部作用尚不完全清楚，但黑色素細胞與樹突狀細胞有許多共同特征：分支形態；吞噬能力；將抗原呈遞給T細胞；以及細胞因子的產生和釋放。盡管黑素細胞呈樹突狀，并且與樹突狀細胞具有許多共同特征，但它們源自兩種不同的細胞譜系。樹突狀細胞來源于造血干細胞在骨髓中。另一方面，黑素細胞起源于神經嵴細胞。因此，盡管在形態和功能上相似，但黑素細胞和樹突細胞并不相同。
黑色素細胞能夠表達MHCII類，一種僅由免疫系統的某些抗原呈遞細胞在與抗原或細胞因子相互作用刺激時表達的MHC。任何給定脊椎動物的所有細胞都表達MHC，但大多數細胞僅表達MHCI類。另一類MHC，即II類，僅見于“專業”抗原呈遞細胞，如樹突細胞、巨噬細胞、B細胞和黑素細胞。重要的是，除MHCII類外，受細胞因子刺激的黑素細胞還表達CD40和ICAM1等表面蛋白，從而可以共同刺激T細胞。
除了呈遞抗原外，黑素細胞在免疫反應中的作用之一是細胞因子的產生。黑素細胞表達許多促炎細胞因子，包括IL-1、IL-3、IL-6、IL-8、TNF-α和TGF-β。與其他免疫細胞一樣，黑色素細胞分泌這些細胞因子以響應模式識別受體(PRR)的激活，例如識別MAMP的Toll樣受體4(TLR4).MAMP，也稱為PAMP，是微生物相關的分子模式，是存在于給定病原體之上或之中的小分子元素，例如蛋白質、碳水化合物和脂質。此外，黑素細胞產生的細胞因子可以由附近其他免疫細胞分泌的細胞因子觸發。
黑素細胞理想地位于表皮中，作為對抗有害病原體的哨兵。黑素細胞位于基底層，表皮的最底層，但它們使用它們的樹突與其他層的細胞相互作用，并捕獲進入表皮的病原體。黑素細胞可能與角質形成細胞和朗格漢斯細胞協同工作，兩者都具有積極的吞噬作用，有助于免疫反應。