รูปแสดงกลไกการออกฤทธิ์ของวัคซีนอาร์เอ็นเอเอ็มอาร์เอ็นเอ (mRNA) ที่บรรจุอยู่ในอนุภาคนานาโนที่เป็นลิพิด (Lipid nanoparticle) อาศัยเอนโดโซม (Endosome) เข้าไปในไซโทซอล (Cytosol) ของเซลล์ แล้วไรโบโซม (Ribosome) ก็ใช้เอ็มอาร์เอ็นเอเป็นแบบ เพื่อผลิตแอนติเจนของไวรัส (Viral antigen) ต่อจากนั้น คอมเพล็กซ์โปรตีน Proteasome จะย่อยสลายแอนติเจนนั้นเป็นเพปไทด์ (วงกลมสีน้ำเงิน) ซึ่งโมเลกุล class I MHC และ class II MHC ใน endoplasmic reticulum (ER) จะจับแล้วนำออกไปแสดงที่ผิวเซลล์โดยส่งผ่านถุงคัดหลั่ง (Secretory vesicle) อันเป็นกลไกหนึ่งของ ER หลังจากนั้น เมื่อภูมิคุ้มกันรู้จักแอนติเจนของไวรัสนั้นแล้ว ก็จะมีเซลล์ภูมิคุ้มกันที่รู้จักมันโดยเฉพาะ ๆ ประเภท Cytotoxic T Cell (CD8* T Cell) และ T helper Cell (CD4* T Cell) ดังนั้น เมื่อเซลล์อื่น ๆ ติดเชื้อจุลชีพก่อโรคที่มีแอนติเจนเช่นกันในอนาคต เซลล์ภูมิคุ้มกันก็จะสามารถฆ่าเซลล์ที่ติดเชื้อเหล่านั้นได้

จุดมุ่งหมายของวัคซีนก็เพื่อกระตุ้นให้ระบบภูมิคุ้มกันแบบจำเพาะสร้างสารภูมิต้านทานที่เล็งจุลชีพก่อโรคนั้น ๆ เป็นเป้าหมายสารส่อ (marker) ของจุลชีพก่อโรคที่สารภูมิต้านทานจะเล็งเป็นเป้าเรียกว่า แอนติเจน[31]

วัคซีนเอ็มอาร์เอ็นเอทำงานต่างกับวัคซีนปกติ[1]เพราะวัคซีนปกติกระตุ้นให้ร่างกายตอบสนองด้วยสารภูมิต้านทานโดยฉีดแอนติเจน (คือโปรตีนของไวรัสก่อโรค) ฉีดไวรัสก่อโรคที่ลดฤทธิ์ที่ทำให้เซลล์ในร่างกายเองสร้างแอนติเจน หรือฉีดเวกเตอร์ไวรัสลูกผสมที่เข้ารหัสแอนติเจน คือใช้ไวรัสอีกอย่างเป็นพาหะส่งยีนแอนติเจนของไวรัสก่อโรคเข้าไปเพื่อให้เซลล์ร่างกายสร้างแอนติเจน โดยฉีดเข้ากล้ามเนื้อส่วนวัคซีนเอ็มอาร์เอ็นเอออกฤทธิ์สั้น ๆ กว่า[32]โดยส่งชิ้นส่วนอาร์เอ็นเอของไวรัสที่สังเคราะห์ขึ้นและมีชีวิตอยู่ได้ไม่นานเข้าไปในร่างกายของผู้ได้วัคซีนซึ่งเซลล์ภูมิคุ้มกันชนิดหนึ่งคือ dendritic cell (DC) จะนำเข้าในเซลล์ผ่านกระบวนการฟาโกไซโทซิส[33]แล้วใช้กลไกของเซลล์ (คือ ไรโบโซม) เพื่ออ่านรหัสเอ็มอาร์เอ็นเอแล้วสร้างแอนติเจนของไวรัสก่อนจะทำลายเอ็มอาร์เอ็นเอนั้น[4]

เมื่อแอนติเจนเกิดในเซลล์ถูกเบียนแล้ว ก็จะเกิดกระบวนการปกติของระบบภูมิคุ้มกันแบบจำเพาะคือคอมเพล็กซ์โปรตีน proteasomes ก็จะสลายแอนติเจน แล้วโมเลกุล class I MHC และ class II MHC ก็จะจับกับเพปไทด์ของแอนติเจนแล้วขนส่งมันไปที่ผิวเซลล์ เป็นการก่อกัมมันต์ของ DC[34]ซึ่งก็จะย้ายที่ไปยังต่อมน้ำเหลือง แล้วแสดงแอนติเจน (antigen presentation) ต่อเซลล์ภูมิคุ้มกันแบบ T[upper-alpha 1] และ B[35]ซึ่งในที่สุดก็นำไปสู่การผลิตสารภูมิต้านทานซึ่งเล็งเป้าโดยเฉพาะที่แอนติเจนดังว่า เป็นภูมิคุ้มกันต่อสิ่งที่มีแอนติเจนนั้น ๆ[31]

ประโยชน์ของการใช้เอ็มอาร์เอ็นเอเพื่อให้เซลล์ถูกเบียนผลิตแอนติเจนเองก็คือ เอ็มอาร์เอ็นเอผลิตในโรงงานได้ง่ายกว่าการผลิตโปรตีนที่เป็นแอนติเจนหรือผลิตไวรัสที่ลดฤทธิ์แล้ว[34][1][4]ประโยชน์อื่น ๆ รวมทั้งความรวดเร็วในการออกแบบและการผลิตวัคซีนบริษัทโมเดิร์นาออกแบบวัคซีนโควิด-19 mRNA-1273 โดยใช้เวลาแค่ 2 วัน[36]ประโยชน์อีกอย่างก็คือเพราะร่างกายผลิตแอนติเจนเอง วัคซีนจึงกระตุ้นทางการตอบสนอทางภูมิคุ้มกันทั้งโดยเซลล์ (cellular immunity) และโดยมาโครโมเลกุล (humoral immunity) เช่น สารภูมิต้านทาน[6][37]วัคซีนยังไม่มีผลเปลี่ยนดีเอ็นเอของเซลล์อีกด้วยชิ้นส่วนอาร์เอ็มเอที่สังเคราะห์ขึ้นเป็นก๊อปปี้ของส่วนหนึ่งของอาร์เอ็นเอไวรัสโดยเฉพาะ ที่มีข้อมูลเพื่อสร้างแอนติเจนของไวรัส (สำหรับวัคซีนโคโรนาไวรัส ก็คือโปรตีน spike ที่ผิวของอนุภาคไวรัส) โดยไม่เกี่ยวกับดีเอ็นเอมนุษย์เมื่อวัคซีนเอ็มอาร์เอ็นเอสำหรับโควิด-19 กลายเป็นเรื่องสำคัญ เรื่องว่าวัคซีนเปลี่ยนดีเอ็นเอมนุษย์ก็กลายเป็นข้อมูลผิดที่กระจายไปในสื่อสังคม แล้วต่อมาจึงถูกหักล้างว่าเป็นทฤษฎีสมคบคิด[38][39]

เอ็มอาร์เอ็นเอปกติจะสลายไปในเซลล์หลังจากใช้สร้างโปรตีนแปลกปลอมแล้วแต่เพราะผู้ผลิตก็เก็บสูตรประกอบวัคซีน (รวมทั้งองค์ประกอบที่แน่นอนของอนุภาคนาโนที่เป็นลิพิดซึ่งใช้ส่งยาเข้าไปในเซลล์) เป็นความลับ รายละเอียดและกำหนดเวลาของวัคซีนจึงยังไม่ได้ศึกษาโดยผู้ชำนาญการอิสระอื่น ๆ[40]