A pesar de la membrana protectora que separa a una célula del entorno, las células necesitan la capacidad de detectar y responder a los cambios ambientales. Además, las células a menudo necesitan comunicarse entre sí. Los organismos unicelulares y multicelulares utilizan una variedad de mecanismos de señalización celular para comunicarse y responder al entorno.

Las células responden a muchos tipos de información, a menudo a través de proteínas receptoras colocadas en la membrana. Por ejemplo, las células de la piel responden y transmiten información táctil, mientras que los fotorreceptores en la retina pueden detectar la luz. La mayoría de las células, sin embargo, han evolucionado para responder a las señales químicas, incluyendo las hormonas, los neurotransmisores, y muchos otros tipos de moléculas de señalización. Las células pueden incluso coordinar diferentes respuestas provocadas por la misma molécula de señalización.

Típicamente, la señalización celular implica tres pasos: (1) la recepción de la señal, (2) la transducción de la señal, y (3) una respuesta. En la mayoría de las recepciones de la señal, una molécula impermeable de la membrana, o ligando, causa un cambio en un receptor de la membrana; sin embargo, algunas moléculas de señalización, como las hormonas, pueden atravesar la membrana para llegar a sus receptores internos. El receptor de membrana puede entonces enviar esta señal a mensajeros intracelulares, que transduce el mensaje en una respuesta celular. Esta respuesta intracelular puede incluir una transcripción de cambios, traducción, activación de proteínas o muchas otras.

Los organismos unicelulares como las bacterias pueden utilizar un tipo de señalización celular llamada detección de quórum para detectar su concentración en una colonia y generar respuestas coordinadas. Las células eucariotas pueden liberar ligandos que se dirigen a la misma célula que produjo la señal (señalización autocrina) o a células vecinas (señalización paracrina). Las señales pueden incluso enviarse a largas distancias, como en el caso de algunas hormonas, y producir respuestas en células distantes, llamadas señalización endocrina. La señalización dependiente del contacto describe las vías físicas creadas entre las células vecinas a través de las cuales las señales citoplasmáticas pueden pasar rápidamente. Las células del sistema nervioso pueden generar respuestas rápidas a través de una especialización de la señalización celular llamada señalización sináptica.