另一种主要的白细胞类别是髓样细胞，由粒细胞、巨核细胞及巨噬细胞组成，其结构与T细胞和B细胞相比具有更多的变化。所有髓样细胞都参与了机体免疫，并通过与T细胞、B细胞不同的机制清除外来生物。细胞内含有颗粒的粒细胞可进一步细分为嗜中性粒细胞、嗜酸性粒细胞以及嗜碱性粒细胞。一升人类的血液中约含有50亿个中性粒细胞（约占所有白细胞数量的一半）。当接收到受伤部位发出的信号后，中性粒细胞将离开血液并到达潜在的感染部位，整个过程只需大约30分钟。中性粒细胞是非常重要的杀伤细胞，可以迅速吞噬掉那些被抗体标记的入侵细菌，并将其消化。一旦完成工作，中性粒细胞将变为脓细胞。不太常见的嗜酸性粒细胞（来自拉丁语，是指它们对化学染料具有“嗜酸”反应）可以向寄生虫体内注入过氧化氢（通常用作染发剂和消毒剂）将其消灭。幸运的是，当嗜酸性粒细胞被激活后，只能在循环系统中存活几个小时。嗜酸性粒细胞会介导过敏性反应，并在哮喘的发病过程中发挥了重要的作用。此外，它们还参与了包括移植排斥与癌症在内的许多生物学过程。在蜱虫等寄生虫感染的部位可以观察到大量的嗜碱性粒细胞（它们可以与碱性化学染料发生反应）。在19世纪后期，保罗·埃里希（Paul Ehrlich）首次观察到了肥大细胞。由于肥大细胞内含有许多颗粒，提示了它们可能为周围的细胞提供养料，因此，埃里希将这些细胞命名为Mastzellen（来自德语“Mast”，意为食物）。肥大细胞的颗粒中含有组胺，其释放将引发花粉症等过敏反应。