Les pré-thymocytes sont les précurseurs des cellules T (lymphocytes T) et viennent à maturation dans la moelle osseuse et le foie fœtal. Pendant la période embryonnaire, le thymus se développe à partir de la 3e poche branchiale ainsi qu'à partir des cellules précurseurs colonisant. La poche constitue la composante épithéliale alors que les cellules précurseurs constituent la composante lymphoide. La cellule épithéliale thymique fournit des hormones de grande importance pour le développement des pré-thymocytes. Arrivées à maturation au sein du thymus, les thymocytes quittent l'organe pour la circulation.
Le développement du pré-thymocyte a lieu dans le foie fœtal et la moelle osseuse. Déjà à cette étape, un réarrangement du récepteur des cellules T (TCR) est observé, accompagné d'une modification de l'information génétique de la chaîne p. Cette cellule précurseur est caractérisée par l'enzyme TdT (désoxyribonucléase transférase terminale). Après colonisation du thymus, elle se transforme en thymocyte précoce qui est caractérisé par l'expression des marqueurs de surface CD2 et CD7 (étape 1 de la différenciation des cellules T). La transcription de la chaîne y du TCR et le réarrangement de la chaîne (3 sont également observés. Ne possédant ni le marqueur CD4 ni le marqueur CD8, ces cellules sont qualifiées de doubles négatives.
À la prochaine étape de maturation (étape II), le thymocyte présente en général le marqueur CD 1, caractéristique des thymocytes, et possède également les deux marqueurs CD4 et CD8 (double positif). De plus, les chaînes a et p du TCR sont exprimées à la surface, en association avec les molécules du complexe du récepteur des antigènes CD3.
Cette étape est suivie par un pas décisif vers la maturation en cellule T proprement dite. L'expression de l'antigène CD1 est perdue, et les thymocytes se divisent en deux populations qui portent soit le marqueur CD4 soit le marqueur CD8, le premier caractérisant les cellules T auxiliaires (T helper, TH), et le second marquant les cellules cytotoxiques (cytotoxic T cells, CTL). Les cellules sont alors dites simples positives. Plus de 99 p. 100 des cellules T matures expriment le TCR a/P à la surface, le reste le TCR y/6. Les deux types de TCR ont une capacité distincte à reconnaître des antigènes.
Une fois libérées dans la circulation, les cellules T matures poursuivent leur maturation dans le sang et le système lymphoïde périphérique. Les cellules T naïves circulent hors des organes lymphoides jusqu'à un éventuel contact avec un antigène. Elles portent le marqueur CD45RA Le contact avec l'antigène fait apparaître les cellules T mémoire qui expriment CD45RO ainsi que CD29. Tandis que CD45RO est une variante du marqueur commun des leucocytes (common leucocyte antigen), une phosphatase de la surface cellulaire, CD29 est un récepteur de la fibronectine, qui est impliquée dans l'adhésion des cellules et leur locomotion dans les tissus.