El pronóstico para los pacientes con cáncer ha disminuido drásticamente en los últimos años debido a los desafíos en el tratamiento de tumores malignos. La inmunoterapia tumoral, que incluye la inhibición de objetivos inmunes y el tratamiento con células con receptores de antígenos quiméricos, está evolucionando rápidamente. Entre ellas, las células asesinas naturales (NK) están convirtiéndose gradualmente en otra terapia celular inmunológica preferida después de la inmunoterapia con células T debido a sus efectos únicos de eliminación en la inmunidad innata y adaptativa. La terapia con células NK ha mostrado resultados alentadores en estudios clínicos; sin embargo, todavía existen algunos problemas, incluyendo la eficacia limitada en tumores sólidos, la penetración inadecuada de las células NK y los altos costos del tratamiento. Los beneficios notables de los nanomateriales incluyen su especificidad química, biocompatibilidad y facilidad de fabricación; estos los convierten en instrumentos prometedores para mejorar las respuestas inmunitarias anti-tumorales de las células NK. Los nanomateriales pueden promover la localización e infiltración de células NK, participar en la modificación de células NK y en modos de seguimiento e imagen celular no invasivos, y aumentar significativamente la efectividad de la inmunoterapia con células NK. La introducción de la investigación sobre inmunoterapia basada en células NK y una discusión más detallada sobre la investigación de nanomateriales en la inmunoterapia basada en células NK y la imagenología molecular serán los temas principales de esta revisión.