Muchas señales celulares son hidrófilas y por lo tanto no pueden pasar a través de la membrana plasmática. Sin embargo, las moléculas de señalización pequeñas o hidrófobas pueden atravesar el núcleo hidrófobo de la membrana plasmática y unirse a los receptores internos o intracelulares que residen dentro de la célula. Muchas hormonas esteroides de los mamíferos utilizan este mecanismo de señalización celular, al igual que el óxido nítrico (NO) gas.

Similar a los receptores ligados a la membrana, la unión de un ligando a un receptor ubicado en el citoplasma o núcleo de una célula provoca un cambio de conformación en el receptor. Al igual que los factores de transcripción, el receptor activo puede unirse a sitios de unión de ADN específicos del receptor para aumentar o disminuir la transcripción de los genes diana. En el caso de un receptor intracelular situado en el citoplasma, el complejo receptor-ligando primero debe atravesar la membrana nuclear.

Muchas hormonas esteroides, como los estrógenos y la testosterona, utilizan receptores intracelulares para inducir efectos específicos. Como ejemplo, el estrógeno puede difundirse a través de la membrana; la unión del estrógeno a su receptor resulta en la dimerización de los receptores y el transporte del complejo ligando-receptor al núcleo. Una vez en el núcleo, el complejo puede unirse a secuencias de ADN llamadas elementos de respuesta a los estrógenos (ERE) Dependiendo de los otros factores de transcripción y co-activadores, la unión de receptores de estrógenos activados (RE) a los ERE puede causar un aumento o disminución en la transcripción de los genes diana.

La activación de otros receptores intracelulares, incluidos algunos receptores de la hormona tiroidea, requiere que los ligandos atraviesen tanto la membrana plasmática como la membrana nuclear, ya que los receptores correspondientes residen en el núcleo. Estos complejos ligando-receptores entonces pueden unirse al ADN, similar al mecanismo descrito anteriormente.