Esta etapa involucra la investigación básica de laboratorio, y a menudo dura de 2 a 4 años. 

Los científicos buscan conocer en profundidad la biología y comportamiento del microorganismo que causa la infección y posteriormente la enfermedad; e identificar los antígenos o partes de ese microorganismo capaces de inducir una respuesta inmunitaria en el organismo cuando se produce la infección. 

Involucra descubrimiento e investigación de un potencial candidato, pruebas y testeo en animales experimentales sobre la eficacia y tolerancia en modelo animal, las cuales apoyan su posterior investigación en humanos.

Se testea la vacuna experimental en un un pequeño número de humanos sanos generalmente

menos de 100 adultos. 

Los efectos biológicos, permiten evalúa la capacidad que tiene la vacuna de activar el sistema inmunitario y provocar una respuesta inmune.​ En esta fase se pueden incluir estudios de dosis y vías de administración.

Se prueba la vacuna que fue considerada segura en la Fase I. Se evalúa en un grupo más grande de humanos sanos generalmente entre 200 y 500 , con características similares a aquellas a las que se dirigirá la vacuna. 

Las metas de esta fase, son estudiar la vacuna en términos de seguridad, capacidad para generar una respuesta inmunológica, las dosis recomendadas y la forma en que se administra.

Se involucran cientos o miles de humanos en un país o varios países . Las pruebas de fase III son aleatorias y doble ciego, lo que significa que involucran la vacuna experimental que se prueba contra un placebo (el placebo puede ser una vacuna para otra enfermedad o alguna otra sustancia no dañina para el cuerpo humano). En general es el paso anterior a la aprobación de una vacuna.

Se realizan estudios luego de la aprobación de una  vacuna por la autoridad regulatoria en uno o varios países.

Así también, continúan monitoreando posibles efectos adversos durante su uso.

Constituyen un pilar en la prevención primaria, controlando enfermedades, eliminando e incluso erradicando algunas de ellas. Son la manera más efectiva de prevenir muchas enfermedades infecciosas, y previenen también millones de muertes anuales a nivel mundial. 

Actúan imitando a la infección provocada por un organismo en el cuerpo, para así poder desencadenar la respuesta natural de defensa. Las vacunas le enseñan al cuerpo humano a generar anticuerpos (defensas) que lo protegen del organismo, en caso de una exposición futura.

El sistema inmune de cada persona es una organización compleja de células y componentes moleculares que se especializan en diferenciar lo propio de lo ajeno, con el objetivo de defender al organismo cuando detecta algo ajeno a el. Dicha respuesta de “defensa” se divide en innata y adaptativa.

La inmunidad innata se refiere al comportamiento de defensa que se produce previamente a contraer la infección. Es genéticamente determinada, uniforme y no transferible a otras personas. Es inespecífica y responde ante agentes infecciosos de la misma forma, incluso en infecciones repetidas. No genera memoria inmunológica.

La inmunidad adaptativa se refiere al comportamiento de defensa que se produce como respuesta a la infección, y su magnitud y calidad se acrecienta en cada exposición al agente infeccioso. Se adapta a la infección, expresando grados de especificidad al reaccionar contra el agente infeccioso, a la vez que es capaz de recordar y responder con mayor intensidad a la exposición repetida.

La importancia de estos conceptos radica en el compromiso fundamental del cumplimiento de los calendarios de vacunación. Por ejemplo, en el caso de la vacuna pentavalente, mientras se producen las dosis sucesivas de vacunas en el primer año de vida, la cantidad y calidad de la respuesta inmune va mejorando hasta alcanzar el objetivo, logrando finalmente con una dosis de refuerzo entre el año y los 15 meses. Las dosis correspondientes a los 2, 4 y 6 meses representan el estímulo repetido al sistema inmune que permite una respuesta inmunológica más potente y duradera.

La vacunación intenta establecer todos los pasos de la respuesta inmune adaptativa a la infección natural, sin padecer los síntomas, induciendo inmunidad protectora de larga duración a través de la formación de anticuerpos y respuestas celulares protectoras.

Se basan en la respuesta del sistema inmune de la persona al exponerse a una vacuna: el antígeno (inmunógeno). Estos antígenos pueden estar constituidos por el patógeno entero, muerto o atenuado, o fracciones del patógeno o toxoides (toxinas sin poder patógeno); inducen la respuesta inmunitaria en el organismo. Es entonces que el organismo destruye, inactiva o neutraliza el patógeno o toxina.

El concepto de rebaño, hace referencia al beneficio de la comunidad sobre el beneficio individual de las personas, este concepto evita más de 2,5 millones de muertes por año a nivel mundial. 

La inmunidad de rebaño se alcanza cuando muchas personas de una comunidad están vacunadas, y la circulación (contagio entre personas) del patógeno es difícil porque la mayoría de las personas están inmunizadas, y es menos probable que una persona que no puede protegerse con vacunas corra el riesgo de verse expuesta a patógenos. 

En conclusión, la inmunidad de rebaño consiste en la prevención de enfermedades en la población no vacunada a través de la vacunación de una población objetivo. 

El desafío es que, para que la misma se alcance y se mantenga, la cobertura vacunal debe permanecer elevada todo el tiempo.