所有的T細胞都來源于造血干細胞（HSC），造血干細胞之后會分化為多能祖細胞（MPP），多能祖細胞又會分化為共同淋巴祖細胞（CLP），CLP接下來只有三種分化路徑，即T細胞、B細胞和NK細胞。 那些分化為T細胞的CLP將會隨著血流到達胸腺，并成為早期胸腺祖細胞(ETP)，現在這些細胞既不表達CD也不表達CD。這些細胞將經過一輪分裂，進入DN階段。
TCR-β選擇
在DN階段(CD+CD+)，細胞上調RAG/并重排TCR（T細胞受體）-β基因座，V-D-J序列和恒定區序列，目的是產生一個有功能的TCR-β鏈。當細胞經過DN階段(CD-CD+)時，細胞將會和TCRβ一起表達一個未經重排的α-鏈（pre-Tα），如果重排后的β-鏈可以和pre-Tα形成二聚體，細胞將產生信號停止β-鏈的重排。雖然這個信號需要pre-TCR在細胞膜上表達，不過它與pre-TCR和配體的結合無關。如果pre-TCR形成了，細胞會下調CD并進入DN階段(CD-CD-)。這些細胞將繼續分裂并重排TCRα的基因座。
陽性選擇
雙陽性(CD+/CD+)的T細胞會向胸腺皮層深處遷移，并會接觸到胸腺皮層上皮細胞表面的“自體抗原”（self-antigens）。這些自體抗原結合在胸腺上皮細胞表面的MHC分子上，只有與胸腺細胞的MHC分子表現出足夠強的結合力的T細胞，才能接收到必要的“存活信號”，而無法接收到足夠“存活信號”的T細胞將會凋亡。在這個持續幾天的陽性選擇過程中，大部分的T細胞都會死去。
一個T細胞的命運就在陽性選擇的過程中被決定。在雙陽性(CD+/CD+)T細胞中，能夠與MHC Ⅱ類分子結合得較好的將成為CD+細胞，而和MHC Ⅰ類分子有更高親和力的將成為CD+細胞。將成為CD+細胞的細胞將會逐漸下調自己的CD，最終成為單陽性的CD+細胞。
陰性選擇
在陽性選擇中存活下來的T細胞將會向胸腺皮質邊緣和髓質區遷移；在髓質區，它們又會接觸到胸腺髓質上皮細胞（mTECs）表面的自體抗原。mTECs會在它們的MHC Ⅰ類分子上呈遞來自全身各個組織的自體抗原。一些mTECs被胸腺樹狀細胞吞噬，它們的自體抗原就會呈遞在樹狀細胞的MHC Ⅱ類分子上（經過了陽性選擇的CD+細胞只能識別MHC Ⅱ類分子）。在這里，與自體抗原表現出過強的親和力的T細胞會接收到凋亡信號并凋亡（在這些細胞中也有一部分會成為調節T細胞），存活下來的細胞就作為成熟的初級T細胞離開胸腺。這一過程是中樞免疫耐受的重要組成部分，其意義在于篩選掉可能對自體抗原產生反應的T細胞，從而避免自體免疫疾病的發生。
胸腺輸出
經過陽性選擇和陰性選擇，最初到達胸腺的T細胞中有%死亡，存活下來的%成為了具有成熟免疫功能的T細胞。胸腺產生成熟T細胞的數量大致隨著個體衰老而減少，在中年人的體內，胸腺的大小平均每年縮小%。所以，對中老年人而言，外周T細胞的增殖和再生對于免疫系統的意義更大。