在多细胞生物中，许多分子在细胞之间传递信号以传递信息。这些信号的复杂程度各不相同，包括小肽、核苷酸、类固醇、脂肪酸衍生物和溶解气体，如一氧化氮。一些信号分子通过质膜扩散，在相邻细胞之间局部作用或长距离传播。其他细胞保持附着在细胞表面，仅在接触时将信息传递给其他细胞。在某些情况下，可能需要特殊处理（如蛋白水解切割）来释放跨膜信号转导蛋白的细胞外结构域。例如，肽和蛋白质信号在粗面内质网中合成为无活性的前肽，通过酶裂解转化为前肽，并在高尔基体中进一步加工，然后在用于胞吐作用的运输囊泡中被酶促激活。

无法通过质膜非极性区域的水溶性或亲水信号或太大而无法穿过膜的分子结合细胞表面受体的细胞外结构域。结合细胞表面受体的分子组是多种多样的。它们主要由可能未修饰、修饰成衍生物或掺入肽和蛋白质的氨基酸组成。例如，谷氨酸和 GABA 等神经递质是由神经元合成并储存在囊泡中并通过胞吐作用释放的氨基酸信号。另一种神经递质多巴胺来源于酪氨酸。

离子，尤其是钙，控制着关键的细胞过程，如肌肉收缩、基因转录和细胞凋亡。它们可能通过间隙连接参与直接细胞内通讯，也可能在细胞内信号通路中充当第二信使。一氧化氮是一种气态信号分子，以其在平滑肌松弛中的作用而闻名，直接扩散穿过质膜。用于治疗心脏病的药物硝酸甘油会导致一氧化氮的释放。这会导致血管扩张并恢复流向心脏的血流。