抗原是一种被机体免疫系统识别和作为破坏靶的外来物质(见第167节)。抗原在所有细胞的表面发现，但正常情况下人的免疫系统对自己的细胞不反应。当一个细胞变成癌细胞新的抗原，为免疫系统不熟悉的抗原出现在细胞表面，免疫系统可把这些新的抗原(称为肿瘤抗原)作为外来物并且可能吞噬或破坏癌细胞。但即使一个功能完全的免疫系统也不能破坏所有癌细胞。
肿瘤抗原在几种癌症被识别，包括恶性黑素瘤、骨癌(骨肉瘤)、和一些胃肠道癌症。患这些癌症的病人可能有针对这些肿瘤抗原的抗体。这些抗原通常不能激发出足够的免疫反应来控制癌症。机体似乎不能破坏癌且有时甚至还刺激癌的生长。
但某些肿瘤抗原能被运用于有益的一面。被一些癌症释放到血中的抗原能用血液试验检测出来。这些抗原有时被称为肿瘤标记物。主要兴趣已集中在肿瘤标记物能否在无症状癌症患者中作为筛查试验运用。因为这些试验既昂贵又不具特异性，至少在常规筛查方面目前还不提倡运用它们。相反，肿瘤标记物在癌症的诊断和治疗方面更有价值。例如，血液检测帮助判定一个癌症治疗是否有效。如果肿瘤标记物不在血标本中出现，治疗可能已成功。如果标记物消失后又出现，癌症可能已复发。
癌胚抗原(CEA)是在患有结肠癌、乳腺癌、胰腺癌、膀胱癌、卵巢癌或宫颈癌病人血液中发现的一种肿瘤抗原。这种抗原的水平高也可在吸烟多的人或患有肝硬化或溃疡性结肠炎的病人中发现。所以，高CEA水平不总是意味着一个人患有癌症。在已治疗过的病人中检测CEA水平可帮助医生判定是否复发。
甲胎蛋白(AFP)在肝癌(肝细胞癌)患者的血液中发现，正常情况下由胎儿肝细胞产生。甲胎蛋白也常常在某些卵巢癌和睾丸癌的病人以及患有松果体瘤的儿童和青年人中发现。
β-人绒毛膜促性腺激素(β-HCG)，在妊娠期间产生，作为妊娠试验基础，在患有源于胎盘的癌的妇女中以及患有各种类型的睾丸癌的男性中均可产生。β-绒毛膜促性腺激素是一种非常敏感的肿瘤标记物。它在监测治疗效果方面的运用，帮助提高了这些癌症的治愈率，达到95％以上。
前列腺特异抗原(PSA)水平在非癌性(良性)前列腺肥大的男性中升高并在前列腺癌的男性中明显增高。什么样的水平作为有意义的异常水平还不肯定，但一个PSA水平升高的男性应对前列腺癌作进一步诊断(见第229节)。癌症治疗后监测血中PSA能预示癌症是否复发。
血CA-125水平，另一种抗原，在患有各种各样卵巢疾病包括癌症的女性显著升高。由于卵巢癌常常较难诊断，一些癌症专家献身于妇女CA-125的筛查研究超过40年之久。但是，CA-125缺乏敏感性和特异性意味着它不是一个可靠的筛查试验。
CA-15-3水平升高发生在乳腺癌，CA-19-5升高发生在前列腺癌，β2-微球蛋白在多发性骨髓瘤升高，乳酸脱氢酶在睾丸癌升高，但没有一个能被建议为癌症筛查试验。不管怎样，它们在已被诊断为癌的病人监测治疗反应方面是有益的。