（1）雙陰性期：在分化早期，T細胞經曆原T細胞（pro T cell）和前T細胞（pre T cell）兩個階段，此時，T細胞既不表達CD4分子，也不表達CD8分子，稱為雙陰性T細胞。雙陰性期的T細胞不表達TCR和CD3分子，不能識別抗原，也不具有任何功能。
（2）雙陽性期：隨著在胸腺內的分化成熟，雙陰性T細胞首先表達TCR的β鏈（β鏈基因首先重排），爾後表達TCR的α鏈前體（pre T a chain或pTa，gp33），此時的TCR也稱前TCR（pre TCR或pIER，由pT a和β鏈組成）。pT a及pTCR的表達可促進T細胞的進一步分化，並誘導CD8分子和CD4分子基因的活化。T細胞首先表達CD8分子，CD8分子的出現促進CD4分子的表達，CD4分子和CD8分子同時表達形成雙陽性T細胞。雙陽性 T細胞仍不能識別抗原，也不具有任何功能。
在分化成熟過程中，β鏈的表達與否是一個決定T細胞命運的重大事件，一旦表達β鏈，T細胞就得以繼續分化成熟，否則分化就停止，最終導致TCRβ的T細胞死亡。因而有人稱此現象為TCR的β選擇（β selection）。同樣T細胞如不能表達pTa及pTCR，則T細胞的分化就受阻，無法進一步分化成熟，可發生細胞凋亡和克隆清除。同時，CD4和CD8分子的表達，也可進一步促進TCR的表達。
（3）單陽性期：雙陽性期T細胞在胸腺中再經二次選擇過程，分化為CD4+T細胞或CD8+T細胞，即單陽性T細胞。這是一類成熟T細胞，同時表達TCR和CD3分子，能識別抗原、介導免疫應答並參與調節免疫。T細胞一旦成熟，就隨血流離開胸腺進入外周免疫器官或外周血。
2.胸腺中T細胞的選擇
T細胞在胸腺內由雙陽性T細胞分化為單陽性T細胞，才能最終分化為成熟的具有免疫功能的T細胞。其中DC及其表達的MHCⅠ類、Ⅱ類分子起重要作用。
（1）陽性選擇：雙陽性T細胞（CD4+、CD8+）在胸腺皮質、髓質交界處與胸腺基質細胞（DC、M等）表麵的MHCⅠ類、Ⅱ類分子及其他因子相互作用，其TCR能識別MHC I類、Ⅱ類分子，並能與之結合（無論親和力高或低）的T細胞克隆均被選擇，進一步分化為單陽性T細胞，此即陽性選擇。陽性選擇時，雙陽性T細胞如與MHCⅠ類分子作用，其CD4分子的表達下調，直至完全抑製，而CD8分子表達上調，最終分化為CD8+T細胞；如與MHCⅡ類分子作用，則CD8分子的表達下調，直至完全抑製，而CD4分子的表達上調，最終分化為CD4+T細胞；而那些不能識別、結合MHCⅠ類分子或Ⅱ類分子的T細胞則發生細胞凋亡而被克隆清除。
陽性選擇的生物學意義在於：賦予成熟的T細胞具有識別、結合MHC的能力，使T細胞在識別抗原時顯示MHC約束性（MHC restriction）。這是成熟T細胞的一個重要生物學特性。
（2）陰性選擇：經過陽性選擇的CD4+T細胞或CD8+T細胞，既包括識別異己抗原的特異克隆，也包括自身反應性克隆，前者係介導特異性免疫應答和維持機體免疫功能及生理平衡所必需，後者則對機體有害。故經陽性選擇的T細胞必須在胸腺中經曆再次選擇。凡是能以其TCR識別胸腺基質細胞表麵MHC分子或MHC分子-自身抗原肽並顯示高親和力的T細胞克隆，可發生細胞凋亡而導致克隆清除，隻有那些與MHC分子呈現低或中等親和力，及那些不能識別自身抗原肽的T細胞克隆才能被留下，進一步分化為成熟的T細胞，此即陰性選擇。
陰性選擇的生物學意義在於：清除了自身反應性T細胞克隆。這是成熟T細胞的又一重要生物學特性，稱中樞耐受，是機體免疫係統不至於和自身組織和自身抗原起反應的一個保護性機製。
3.T細胞的表麵標誌淋巴細胞的表麵標誌（surface marker），是指存在於細胞表麵的多種膜分子，包括各種表麵受體和表麵抗原。它們是淋巴細胞識別抗原、與其他免疫細胞相互作用以及接受微環境刺激的分子基礎，亦為鑒別和分離淋巴細胞的重要依據。
（1）T細胞表麵受體
1）T細胞抗原受體（TCR）。TCR為T細胞特異性識別抗原的受體，也是所有T細胞的特征性表麵標誌。T細胞表麵的TCRβ鏈與CD3分子呈非共價鍵結合，構成完整的TCR-CD3複合體，共同完成對APC表麵MHC分子-抗原肽複合物的識別和活化信號傳遞。TCR的α和β鏈分別由V-J-C及V-D-J基因片段重排後所編碼，可構成具有不同特異性的TCR分子，由此決定T細胞識別抗原的多樣性和特異性，從而可對環境中千變萬化的抗原產生特異性應答。
另一類TCR由γ和δ鏈組成（TCRγδ），其基因重排與TCRαβ相似，不同之處在於γ和δ基因座上V基因片段較少，但TCRγδ具有更豐富的連接多樣性。
2）細胞因子受體（CKR）。多種細胞因子可作用於T細胞，這是由於T細胞表麵可表達多種CKR，包括IL-1R、IL-2R、IL-4R、IL-6R及IL-6R及IL-7R等。靜止和活化T細胞表麵CKR的數目及親和力差別很大。例如IL-2R的α、β和γ鏈有3種組合形式，即α、βγ和αβγ。這三種IL-2R分別對IL-2具有低、中高親和力。靜止T細胞僅表達IL-2受體βγ鏈，而活化T細胞還表達α鏈，後者能與β、γ鏈結合成高親和力的IL-2R，使已被抗原激活的T細胞對較低水平的IL-2刺激也能發生增生反應。
3）其他表麵受體。除TCR外，T細胞表麵尚表達其他多種表麵受體，如綿羊紅細胞受體（SRBCR）、FcγR（所謂Tγ細胞）和FcμR（所謂Tμ細胞）、補體受體CR1（CD35）、HIV受體（CD4）、絲裂原受體（ConA、PHA、PWM）等。
另外，激活的T細胞可以表達某些特定的表麵標誌，如IL-2R（CD25）、轉鐵蛋白受體（transferrin receptor，TfR）、CD96、趨化作用細胞因子受體CXCR3，從而可用於判斷機體的免疫功能狀態。
（2）表麵抗原：具有免疫意義的T細胞表麵抗原主要是MHC抗原和分化抗原（CD分子）。
1）MHC抗原。所有T細胞均表達MHC-Ⅰ類抗原，人T細胞被激活後還可表達MHC-Ⅱ類抗原。因此，MHC-Ⅱ類抗原亦可視為T細胞活化的標誌。
2）分化抗原（CD分子）。T細胞表達多種CD分子，如CD3、CD4和CD8、CD28、CD45等，它們在T細胞特異性識別和激活中分別發揮不同的生物學作用。