利用动物血液进行输血的疗法始于15世纪后期，但由于存在血型不相容与感染的问题，该疗法始终未获成功。鉴于如此庞大的死亡人数，在超过150年的时间里，输血在整个欧洲大陆都被明令禁止。直到20世纪初，卡尔·兰德斯坦纳（Karl Landsteiner）发现了人类血型的存在（A、B、AB、O型），并因此获得了1930年的诺贝尔奖。兰德斯坦纳发现，将不同血型的人的血液混合在一起将会导致血液的凝集，而这正是由不同血型之间的免疫反应所引起的。血型分类的依据在于红细胞表面上是否存在特定的遗传性抗原，这些抗原包括了蛋白、碳水化合物以及脂质。如果输入了不同血型的血液，接受者血浆中的抗体便会对这些新的红细胞进行攻击，将其破坏，该反应又被称为溶血反应，可导致肾功能衰竭与循环性休克。如今，输血已然成为一种常规的医疗手段，而在献血过程中，收集的血液通常被分为几部分，包括红细胞、血小板、白细胞、血浆以及各种抗体与凝血因子等蛋白质（请参阅第5章内容）。对捐献的血液组分进行分类可以实现精准治疗，从而减少副作用的产生并有效地利用每一份血液资源。例如，血小板减少症患者会出现严重的自发性出血（有时可源自化疗的副作用），对这些患者输送血小板可以帮助其恢复血液的凝结能力。尽管我们很少会通过输送白细胞的方式来治疗感染，但通过对白细胞进行基因操作可使其表现出抗肿瘤细胞的活性，该方法目前已被用于癌症的治疗中。

在20世纪70年代，爱德华·唐纳尔·托马斯（Edward Donnall Thomas）证明了静脉注射骨髓细胞可以使骨髓重新获得更新能力并可产生正常的血细胞，他因此获得了1990年的诺贝尔奖。这些重新激活的药剂中的活细胞便是成体造血干细胞。在癌症治疗过程中所使用的细胞毒性药物无法区分肿瘤细胞与造血干细胞，而会无差别地破坏所有分裂细胞。因此在化疗后对患者干细胞进行替换，便可以补充其骨髓细胞数量，并促进其正常血细胞的生成。骨髓移植已应用于包括白血病与淋巴瘤在内的多种癌症的治疗中，以修复化疗所引起的骨髓损伤。此外，骨髓移植也已成功地应用于贫血以及其他干细胞受损或缺失相关疾病的治疗过程中。

自体造血干细胞移植使用的是患者自身的干细胞，这些干细胞在治疗前会进行移除与纯化。自体移植的优点是可以降低感染风险，并且免疫功能的恢复速度与强度均有所提高。自体移植并非总能实现，因此需要其他来源的干细胞。异基因造血干细胞移植需要找到健康的供体，并且其组织须与患者组织相匹配。供体的遗传学特征与患者越接近（通常为患者亲戚），其特异性细胞表面蛋白（称为组织相容性复合物）的匹配度将越高。即使单个DNA碱基对的差异也会导致五个组织相容性蛋白中的某个氨基酸序列发生变化，进而导致错配的发生。骨髓移植中心可以对五个组织相容性蛋白的基因进行DNA测序，以检查其相容性。只有同卵双胞胎才能提供完全匹配的干细胞，而其他供体则需要保证尽可能多的匹配程度。错配将会增加移植排斥反应或移植物对抗宿主疾病的发生风险。当人体排斥新移植的细胞时将发生移植排斥反应，而当新细胞排斥人体时则发生移植物对抗宿主疾病。两种情况均会导致致命的免疫反应发生。

在早期治疗中，通常使用一根可穿透至骨骼中央部位的长针，从供体的大骨（通常为盆骨）中采集骨髓。这一技术被称为骨髓采集，通常需要供体住院，并在全身麻醉的情况下进行手术。如今，人们已经可以从循环血液中进行干细胞收集。这一方法源自对循环干细胞的观察。研究发现，在注射造血生长因子后，人体内循环干细胞的数量将急剧增加。因此，向捐献者注射生长因子，随后便可通过机械分离器收集干细胞，同时将红细胞输送回捐献者体内。

此外，我们也可以从羊水与脐带中分离出可用的造血干细胞。脐带血中的干细胞浓度很高，但其数量也仅够年幼儿童的造血干细胞移植使用。通过使用多种生长因子，我们可以对脐带中的干细胞数量进行扩增，从而实现其在成人移植中的应用。脐带干细胞通常不容易诱发移植物对抗宿主疾病。因此，将自己的脐带血干细胞进行储存以备将来成年后使用已发展成为人体组织储存公司的一项扩展业务。