Trotz der schützenden Membran, die eine Zelle von der Umgebung trennt, müssen Zellen gleichzeitig die Fähigkeit besitzen, Umweltveränderungen zu erkennen und darauf zu reagieren. Zudem müssen Zellen oft miteinander kommunizieren. Ein- und mehrzellige Organismen verwenden eine Vielzahl von zellulären Signalübertragungen, um zu kommunizieren und auf die Umwelt zu reagieren.

Zellen reagieren auf viele Arten von Informationen, oft durch Rezeptorproteine, die in der Membran liegen. Zum Beispiel reagieren Hautzellen auf Berührungsinformationen und übermitteln diese, während Photorezeptoren der Netzhaut Licht erkennen können. Die meisten Zellen haben sich jedoch so entwickelt, dass sie auf chemische Signale, einschließlich Hormone, Neurotransmitter und viele andere Arten von Signalmolekülen, reagieren. Zellen können sogar verschiedene Reaktionen koordinieren, die durch dasselbe Signalmolekül hervorgerufen werden.

Die zelluläre Signalübertragung umfasst typischerweise drei Schritte: (1) Empfang des Signals, (2) Signaltransduktion und (3) eine Antwort. Bei den meisten Fällen des Signalempfangs bewirkt ein membranundurchlässiges Molekül oder ein Ligand eine Veränderung eines Membranrezeptors. Manche Signalmoleküle, wie z.B. Hormone, können jedoch die Membran durchqueren, um ihre internen Rezeptoren zu erreichen. Der Membranrezeptor kann dieses Signal dann an intrazelluläre Botenstoffe senden, welche die Botschaft in eine zelluläre Antwort umwandeln. Diese intrazelluläre Antwort kann eine Änderung der Transkription, Translation, Proteinaktivierung oder viele andere Elemente umfassen.

Einzelllige Organismen wie Bakterien können eine Art von Zellsignalen verwenden, die man Quorum Sensing nennt, um ihre Menge in einer Kolonie zu erkennen und eine koordinierte Reaktionen zu erzeugen. Eukaryotische Zellen können Liganden abgeben, die auf die gleiche Zelle, die das Signal produziert hat (autokrine Signalübertragung) oder auf benachbarte Zellen (parakrine Signalübertragung) wirken. Auch über weite Entfernungen können Signale gesendet werden, wie im Fall einiger Hormone, und somit Reaktionen in entfernten Zellen erzeugen. Man bezeichnet dies als endokrine Signalübertragung. Die kontaktabhängige Signalübertragung beschreibt physikalische Wege zwischen benachbarten Zellen, durch die zytoplasmische Signale schnell weitergeleitet werden können. Zellen des Nervensystems können schnelle Reaktionen durch eine Spezialisierung der zellulären Signalübertragung, die synaptische Signalübertragung, hervorrufen.