Minden vírus és baktérium a védekező rendszer (immunrendszer) egyedi reakcióját váltja ki, ebben speciális sejttípusok játszanak szerepet, melyek megtalálhatók a vérben, a csontvelőben és mindenhol a testben. Ide tartoznak többek között a „T-sejtnek” és „B-sejtnek” nevezett sejtek.
A védőoltás anélkül váltja ki a védekező rendszer aktiválódását (az immunválaszt) és a szervezet védekező rendszerének „memóriáját” egy adott kórokozóval kapcsolatban, hogy megbetegedést okozna.
A védőoltások a betegséget okozó vírus vagy baktérium nagymértékben legyengített, más esetekben inaktivált (elölt) formáját, illetve a vírus vagy baktérium egy kis részét tartalmazzák. Ezeket hívják antigénnek.
Amikor valakinek beadják a védőoltást, az immunrendszer „idegenként” azonosítja az antigént. Az immunsejtek pusztításra vannak kiképezve és ellenanyagokat (antitesteket) termelnek a kórokozó ellen. Az antitestek különleges fehérjék, amelyek segítenek elpusztítani a kórokozót.
Később, ha a személy a tényleges, fertőzést, megbetegedést előidézni képes vírussal vagy baktériummal találkozik, a védekező rendszer „emlékezni fog” rá a korábbi védőoltás miatt. Ezért gyorsan a megfelelő ellenanyagokat termeli és aktiválja a megfelelő immunsejteket, hogy pusztítsák el a vírust vagy baktériumot, megvédve ezzel az adott személyt a betegségtől.
A védettség (immunitás) általában évekig, olykor akár élethosszig tart. Az időtartam függ a fertőzéstől és a védőoltás típusától.
A védőoltással kiváltott immunitás nem csupán a beoltott személyt védi, hanem védelmet nyújt a környezetében élő nem oltott embereknek is, például az olyan csecsemőknek, akik túl fiatalok a védőoltáshoz. Ez a „közösségi immunitás” csak akkor működhet, ha kellő számú ember kap védőoltást.
Ezzel szemben az a személy, aki úgy válik védetté, hogy elkapja a betegséget, más, nem oltott személyeket is kitehet a betegség kockázatának. Megbetegedés esetén fennáll a szövődmények kialakulásának kockázata is.