CAR通常由一个胞外抗原结合域（如识别CD19的单链抗体序列scFv），一个铰链区（促进抗原受体与肿瘤抗原的结合），一个跨膜区（用来固定CAR），一个T细胞激活结构域（CD3 ζ，提供T细胞活化的第一信号）以及一个或多个胞内共刺激结构域组成（CD28/4-1BB，提供T细胞活化的第二信号）。CAR的胞外抗原结合域源于抗体的抗原结合基序，可以连接VH和VL序列构建的单链可变区（single chain fragment variable, scFv），具有特异性识别某种特定肿瘤相关抗原的作用。CAR识别肿瘤相关抗原，随后通过胞内信号传导结构域活化T细胞，刺激T细胞进行增殖，并发挥免疫效应，释放细胞因子，溶解肿瘤细胞。
历经十余年，CAR-T经历了四代结构，每一代结构都是在各个细节上突破，使CAR-T往更为精准、更为高效、更为持久的方向发展。T细胞的完全激活一方面依赖于胞外抗原结合域与抗原的结合所传递的第一信号，另一方面也需要共刺激分子受体与其配体结合所传递的第二信号，而肿瘤细胞表面通常不表达这类共刺激配体。第一代CAR设计结构相对简单，且并未考虑到这一点，从而致使一代CAR-T细胞缺少必要的共刺激信号，无法完全激活其活性，表现为体内扩增不良，在临床试验中的效果并不理想。在第一代的基础上，第二代CAR引入一个共刺激结构域CD28或者4-1BB，在临床试验中显著改善了CAR-T免疫活性激活的问题，并提高了其作用持久性。
第三代CAR则包含两个共刺激结构域，一个为CD28或4-1BB，另一个为OX40、CD28或4-1BB。相比于二代CAR而已，三代CAR虽然在一些前临床试验数据中表现出更强更持久的作用活性，但也有报道指出，三代CAR可能会造成T细胞刺激阈值的降低，引起信号泄露，可能诱发细胞因子过量释放。2013年5月，美国贝勒医学院发起了一项针对比较二代CD19 CAR-T（CD28）和三代CD19 CAR-T（CD28/4-1BB）在非霍奇金氏淋巴瘤、急性淋巴细胞白血病和慢性淋巴细胞白血病中的治疗效果的临床试验，目前仍处于招募病人的阶段（NCT01853631）。
由于肿瘤细胞具有异质性，一部分肿瘤细胞不具有可被T细胞特异性识别的抗原，无法被传统的CAR-T细胞识别并清除。这一问题或可通过四代CAR-T技术，募集除T细胞以外的免疫细胞至肿瘤所在区域来解决。四代CAR-T细胞又被称为TRUCK T细胞 ( T-cells redirected for universal cytokine killing )，含有一个活化T细胞核因子（nuclear factor of the activated T cell, NFAT）转录相应元件，可以使CAR-T细胞在肿瘤区域分泌特定的细胞因子（目前主要是IL-12），从而修饰肿瘤微环境，募集并活化其他免疫细胞进行免疫反应。目前，四代CAR-T疗法已经在包括神经母细胞瘤在内的实体瘤治疗的临床试验中开展。
第二代CAR-T有较多的临床数据支持，稳定性高且技术工艺较为成熟，是目前的主流技术。未来，随着新结构在临床上的试验推广及生产工艺的改进，第三代、第四代CAR-T产品更为优良的疗效值得期待。