大多數NK細胞為胞漿中含有許多嗜天青顆粒的大型淋巴細胞，也稱大顆粒淋巴細胞（large granular lymphocytes ,LGL）。這些顆粒內含有溶解細胞的穿孔素（perforin）和具有絲氨酸蛋白酶活性的顆粒酶（granzymes）等。NK細胞表面主要有CD2（即E受體），CD16（低親和力IgGFc受體）以及CD56等。CD16和CD56分子可視為NK細胞特異性標志，抗CD16和抗CD56可用來鑒定和分離NK細胞（巨噬細胞和粒細胞也表達CD16,但CD56僅見于NK細胞）。NK細胞表面也有IL-2受體鏈（β和γ鏈）和干擾素受體，IL-2和IFN-γ能活化NK細胞和增強其細胞毒活性。