不少药物都是半抗原或抗原，所以可引起过敏反应。若能制备这些药物相应的特异性抗体，即可根据抗原-抗体反应的特异性，应用免疫化学法检测这些药物。TDM应用的免疫化学法一般都采用竞争性免疫分析，即通过定量加入的少量特异性抗体，与标本中相应的抗原或半抗原性药物及定量加入的标记药物间，产生竞争性结合，检测标记药物与抗体结合的抑制程度，和同样处理的标准管比较，便可对样本中的药物定量。免疫化学法灵敏度极高，大多可达ng甚至pg检测水平，可满足所有药物TDM的要求；该法所需标本量少，一般均不需预处理，操作简便，并可制成商品化试剂盒；还可利用一般生化、荧光自动分析仪进行自动化操作。这些都是免疫化学法的优点。
但在TDM中免疫法存在的主要问题是，特异性易受干扰。干扰因素除来自内源性物质外，特殊的是抗原性决定基团未发生变化的待测药物的代谢，或具相同相似抗原性的其他药物及代谢物。如强心药地高辛、洋地黄毒甙、地高辛代谢物二氢地高辛，均可与地高辛抗体结合。显然，在体内几乎不发生代谢转化而原型排泄的药物，则较少代谢物干扰，尤其适用于免疫法检测，如庆大霉素等氨基甙类抗生素。当然，只有具备完全或半抗原性的药物，并要能制备特异性抗体，才能用免疫化学法进行TDM。但总的来说，由于免疫化学法的前述优点，仍是TDM检测技术发展的主要方向。
免疫化学法根据标记物性质不同，可分做放射免疫法、荧光免疫法和酶免疫法三类。根据测定中是否要分离与抗体结合和未结合的标记物，又可分为多相（需分离）和均相（不分离）免疫分析法两种。放射免疫法虽存在放射性污染，又是多相体系，分离结合和未结合标记物操作繁杂，影响因素多，而分离效果又直接影响测定结果，但其灵敏度高，标记技术相对成熟，国内生产的TDM试剂盒多为此类。荧光免疫法按反应体系及定量方法不同，还可进一步分做若干种。与放射免疫法相比，荧光免疫法无放射性污染，并且大多操作简便，便于推广。国外生产的TDM用试剂盒，有相当一部分即属于此类，并且还有专供TDM荧光偏振免疫分析用的自动分析仪生产。酶免疫分析法是目前国外TDM免疫分析中最常采用的方法，特别是均相酶免疫分析法。本法除具有荧光免疫法的优点外，通过选用合适的标记酶，在目前已较广泛普及的多种自动化分析仪即可实现自动化操作，更利于推广。特别是近年来，在TDM的酶免疫分析中，应用酶偶联反应原理，以辅酶黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）标记药物，将葡萄糖氧化酶蛋白、偶联辅助酶－过氧化物酶及底物和显色剂4-氯-1-萘酚固化在薄膜上，制成类似pH试纸样的试条。测定时，只要滴上微量样品，根据成色深浅，即可作出药物浓度的粗略判别。这一方法使病人自我或临床医师病床旁方便快速进行TDM工作成为可能。目前国外已有供茶碱和苯妥英钠测定用的这种试条问市。无疑这一方法的推广，将有助于促进TDM的普及，具有良好的发展前景。