Trotz der schützenden Membran, die eine Zelle von der Umwelt trennt, müssen Zellen in der Lage sein, Umweltveränderungen zu erkennen und darauf zu reagieren. Darüber hinaus müssen Zellen oft miteinander kommunizieren. Einzellige und mehrzellige Organismen nutzen eine Vielzahl von zellulären Signalmechanismen, um mit der Umwelt zu kommunizieren.

Zellen reagieren auf viele Arten von Informationen, oft über Rezeptorproteine, die auf der Membran positioniert sind. So reagieren beispielsweise Hautzellen auf Berührungsinformationen und leiten diese weiter, während Photorezeptoren in der Netzhaut Licht wahrnehmen können. Die meisten Zellen haben sich jedoch so entwickelt, dass sie auf chemische Signale reagieren, darunter Hormone, Neurotransmitter und viele andere Arten von Signalmolekülen. Zellen können sogar verschiedene Reaktionen koordinieren, die ein und dasselbe Signalmolekül hervorruft.

Typischerweise umfasst die zelluläre Signalübertragung drei Schritte: (1) Empfang, (2) Transduktion und (3) Reaktion. Bei den meisten Signalrezepten verursacht ein membranundurchlässiges Molekül oder Ligand eine Veränderung eines Membranrezeptors; Einige Signalmoleküle, wie z. B. Hormone, können jedoch die Membran passieren, um ihre internen Rezeptoren zu erreichen. Der Membranrezeptor kann dieses Signal dann an intrazelluläre Botenstoffe senden und die Nachricht in eine zelluläre Reaktion umwandeln. Diese intrazelluläre Reaktion kann Veränderungen in der Transkription, Translation, Proteinaktivierung und anderen Reaktionen umfassen.

Einzellige Organismen wie Bakterien können eine Art von Zellsignalisierung namens Quorum Sensing verwenden, um ihre Konzentration in einer Kolonie zu erkennen und koordinierte Reaktionen zu erzeugen. Eukaryotische Zellen können Liganden freisetzen, die auf dieselbe Zelle abzielen, die das Signal erzeugt hat (autokrine Signalgebung) oder auf benachbarte Zellen (parakrine Signalgebung). Signale können sogar über große Entfernungen gesendet werden, wie im Fall einiger Hormone, und in entfernten Zellen Reaktionen hervorrufen, die als endokrine Signalübertragung bezeichnet werden. Die kontaktabhängige Signalübertragung beschreibt physikalische Signalwege, die zwischen benachbarten Zellen entstehen und die zytoplasmatische Signale schnell passieren können. Zellen des Nervensystems können durch eine Spezialisierung der Zellsignalisierung, die als synaptische Signalübertragung bezeichnet wird, schnelle Reaktionen hervorrufen.