Das Organ ist aus zwei miteinander verbundenen, asymmetrischen Lappen aufgebaut. Bindegewebe teilt die Lappen in weitere kleine Läppchen auf. Die Größe des Thymus ist abhängig vom Lebensalter. Im Kindesalter erreicht er seine maximale Größe mit einem Gewicht von durchschnittlich 30 g. Vor allem nach der Pubertät beginnt die Involution (Verkleinerung) des Organs, bei der das Thymusgewebe nach und nach durch funktionsloses Fettgewebe ersetzt wird. Im Erwachsenenalter findet sich somit nur noch ein Thymusrestkörper mit einem durchschnittlichen Gewicht von 18g. Dieser wird oft auch als retrosternaler Fettkörper bezeichnet.

Mikroskopisch betrachtet lässt sich das Thymus-Grundgewebe in eine zellreiche Rinde und ein weiter innen gelegenes Mark gliedern. Vor allem in letzterem finden sich die für den Thymus typischen Hassall-Körperchen, die wahrscheinlich zwiebelartige Zusammenlagerungen von  Epithelzellen (Zellen von Oberflächen) darstellen. Ihre Funktion ist bisher noch nicht geklärt. In der Rinde hingegen liegen die Thymozyten in einem Grundgerüst aus epithelialen Zellen. Daher bezeichnet man den Thymus als einziges aller lymphatischen Organe als lymphoepitheliales Organ.

Aufgabe des Thymus ist die Entwicklung und Differenzierung von Immunzellen, den sogenannten T-Zellen. Der Thymus ist also eine Art Ausbildungsstätte für diese Zellen: Unreife Zellen, die im Knochenmark gebildet werden, wandern über Blutgefäße in den Thymus ein. Dort werden sie als Thymozyten bezeichnet. Von der Rinde aus durchwandern die Thymozyten nach mehreren Teilungen das Thymusläppchen in Richtung Mark. Auf diesem Weg reifen sie heran und erhalten den T-Zell-Rezeptor, ein Protein, das in der Oberfläche von T-Zellen verankert ist und in der Lage ist, Antigene zu erkennen. Bei der Reifung unterscheidet man eine positive von einer negativen Selektion, je nachdem, ob es sich um körpereigene oder körperfremde Antigene handelt. Zu Anfang findet eine positive Selektion statt. Dabei dürfen sich nur diejenigen Zellen weiterentwickeln, deren Rezeptor Peptide über sogenannte MHC-Moleküle zwar erkennt, aber nicht zu stark bindet. Im Anschluss findet die negative Selektion statt. Um sicherzustellen, dass die T-Zelle körpereigene Strukturen nicht angreift, findet eine Auswahl derjenigen Zellen statt, die diese tolerieren (Selbsttoleranz). Alle Zellen, die diese Kriterien nicht erfüllen, sterben durch programmierten Zelltod (Apoptose). Gerade einmal 5-10% aller T-Zellen überleben die Reifung. Nur diese Zellen gelangen ins Blut, um anschließend die sekundären lymphatischen Organe zu besiedeln. Neben seiner Funktion als Immunorgan fungiert der Thymus auch als Hormondrüse. Die produzierten Botenstoffe Thymosin, Thymopoetin sowie Thymusfaktor beeinflussen die Reifung von Immunzellen in den lymphatischen Organen.