细胞因子和其他免疫分子一样，也是“双刃剑”，既可参与免疫应答，发挥抗感染、抗肿瘤、诱导凋亡等功能，又可在一定条件下也可参与多种疾病的发生。采用现代生物技术研制开发的重组细胞因子、细胞因子抗体和细胞因子受体拮抗蛋白已获得了广泛的应用。
细胞因子风暴（cytokine storm）也称高细胞因子血症，表现为短期内机体大量分泌多种细胞因子，引发全身炎症反应综合征，严重者可导致多器官功能障碍综合征。
在异常情况下，机体促炎细胞因子和抗炎细胞因子之间的平衡失调，体液中迅速、大量产生多种促炎细胞因子，包括TNF-α、IL-1、IL-6、IL-12、IFN-α、IFN-β、IFN-γ、MCP-1、IL-18等，形成细胞因子风暴。
细胞因子风暴可发生于多种疾病，如移植物抗宿主病、急性呼吸窘迫综合征（ARDS）、脓毒血症和流感等。IL-4、IL-10、IL-13、TGF-β、sTNFR、sIL-6R、抗IL-6单抗等可拮抗炎性介质，通过控制炎症反应而避免组织过度损伤。
另一方面，IL-1、TNF-α和IL-6均为内源性致热原，可作用于下丘脑体温调节中枢，引起发热；TNF-α、IL-1等可刺激内皮细胞和白细胞释放一系列炎性介质（如一氧化氮、氧自由基等），改变凝血功能，导致组织损伤与弥散性血管内凝血，从而在感染性休克中起重要作用。应用重组IL-1受体拮抗物阻断IL-1与IL-1R结合，可降低人内毒素性休克病死率。
细胞因子及其受体表达异常还与某些肿瘤发生、发展密切相关。例如骨髓瘤细胞表面高表达IL-6R，高于正常浆细胞10倍以上，并且可分泌大量IL-6，应用抗IL-6抗体可抑制体外培养的骨髓瘤细胞生长。心脏黏液瘤、浆细胞瘤、子宫颈癌及膀胱癌细胞均异常高分泌IL-6。IL-1可刺激急性、慢性髓样白血病细胞、浆细胞和卵巢癌细胞生长。另外，多种肿瘤细胞通过分泌TGF-β、IL-10等抑制机体的免疫功能，从而有助于肿瘤逃逸机体免疫监视。
细胞因子还可以引起免疫系统相关疾病。比如在超敏反应中，IL-4可促进IgE合成；IL-5和IL-6可协同IL-4促进IgE产生；IFN-γ可抑制IL-4诱生IgE的作用。
在类风湿关节炎、强直性脊柱炎和银屑病患者体内均可检测到过高水平的TNF-α。银屑病患者皮损组织IL-17、IL-23（与IL-12共用p40亚基）及IL-6水平异常升高。应用抗TNF-α抗体或IL-1受体拮抗剂治疗类风湿关节炎，应用抗IL-12p40抗体治疗银屑病患者均已经取得了较好的疗效。
某些免疫缺陷病发病与细胞因子或细胞因子受体表达异常有关，如性连锁重症联合免疫缺陷病（X-linked severe combined immunodeficiency，X-SCID）是由于个体IL-2Rγ链基因突变，这类患者由于IL-2、IL-4、IL-7、IL-9、IL-15和IL-21等多种受体介导的信号转导通路发生障碍，表现为严重的细胞免疫和体液免疫缺陷。
另外，疣、低丙种球蛋白血症、感染及先天性髓系粒细胞缺乏（WHIM）四联症[warts，hypogammaglobulinemia，infection and myelokathexis（WHIM）syndrome]与CXCR4基因突变有关，是一种罕见的常染色体显性遗传性疾病。
在急性移植排斥反应时，受者血清及移植物局部IL-1、IL-2、TNF-α、IFN-γ、IL-6等水平升高。检测相关细胞因子或其可溶性受体水平可作为监测排斥反应的指标之一。
在代谢性疾病方面，细胞因子参与糖尿病发病，已知TNF-α可直接杀伤胰岛细胞，干扰胰岛素受体信号转导，降低外周组织对胰岛素的敏感性；IL-1、IL-6、IL-18、TNF等参与胰岛炎症反应。
当然，细胞因子也被用于了许多疾病的治疗。已批准上市的多种重组细胞因子药物、细胞因子抗体和细胞因子拮抗剂均获得了广泛的应用。
通过给予外源性细胞因子可以治疗多种疾病，例如应用IFN治疗肿瘤及病毒感染；应用GM-CSF刺激造血等。
此外，还可以使用可溶性细胞因子受体、细胞因子受体拮抗剂或抗细胞因子抗体来治疗疾病，例如应用抗TNF抗体治疗类风湿关节炎；应用抗IL-2R抗体防治移植排斥反应等。
