肿瘤细胞是具有免疫原性的，会引起T淋巴细胞浸润到肿瘤组织中，即浸润淋巴细胞（Tumor-infiltrating lymphocytes, TIL），多项研究表明肿瘤组织中TIL的存在及数量与病人生存期相关，因此TIL也许可作为一种肿瘤预后的生物标记物。免疫组库技术已用于多种肿瘤类型的TIL研究，例如结直肠癌、卵巢癌、肝癌、黑色素瘤。此外，免疫组库可以捕捉肿瘤发生时免疫微环境的变化，寻找免疫治疗的靶点，从而辅助免疫治疗更好的抗击肿瘤。
免疫组库在移植和免疫重建上的应用
器官或者骨髓移植时，经常会诱发宿主排斥反应的发生，从而发生慢性移植抗宿主病。同种异体反应，被随机分布在整个T细胞组库的交叉反应，因此延迟T细胞恢复和限制的T细胞受体多样性与异体移植后感染和疾病复发的风险增加相关。免疫组库测序技术可以检测移植后T细胞库，进行从而识别移植后感染或者复发的高危人群。
免疫组库在自身免疫性疾病方面的应用
自身免疫免疫性疾病是由于机体对自身抗原发生免疫反应而导致自身组织损害所引起的疾病。因此，利用免疫组库技术可分析异常表达的免疫细胞（T细胞或抗体），作为临床诊断的标志物。寻找优于现有标准的生物标记物、研究免疫系统在自身免疫中的机制，从而为疾病的诊疗提供依据。
免疫组库在其他方面的应用
免疫组库在感染性疾病、抗体开发、用药及疫苗评估等多个方面均有应用价值。例如通过免疫组库研究，可以检测感染类疾病过程中的免疫动态变化；在抗体开发方面，可以获得特征性的BCR（Ig）序列，缩短抗体开发的流程；也可以针对某种疾病用药后的外周血样本进行评估，确认药物是否激发免疫反应及其功效。
