Malgré la membrane protectrice qui sépare une cellule du milieu environnant, les cellules ont besoin d’être capable de détecter et de réagir aux changements environnementaux. En outre, les cellules ont souvent besoin de communiquer les unes avec les autres. Les organismes unicellulaires et multicellulaires utilisent une variété de mécanismes de signalisation cellulaire pour communiquer afin de répondre à l’environnement.

Les cellules répondent à de nombreux types d’informations, souvent par l'intermédiaire de protéines récepteurs placées sur la membrane. Par exemple, les cellules de la peau réagissent et transmettent des informations tactiles, tandis que les photorécepteurs de la rétine peuvent détecter la lumière. La plupart des cellules, cependant, ont évolué pour répondre aux signaux chimiques, y compris les hormones, les neurotransmetteurs et beaucoup d’autres types de molécules de signalisation. Les cellules peuvent même coordonner différentes réponses suscitées par la même molécule de signalisation.

En règle générale, la signalisation cellulaire comporte trois étapes : (1) la réception du signal, (2) la transduction du signal et (3) une réponse. Dans la plupart des réceptions de signal, une molécule qui ne pénètre pas la membrane, ou ligand, provoque un changement dans un récepteur membranaire ; cependant, certaines molécules de signalisation, telles que les hormones, peuvent traverser la membrane pour atteindre leurs récepteurs internes. Le récepteur membranaire peut alors envoyer ce signal aux messagers intracellulaires, qui font la transduction du message en réponse cellulaire. Cette réponse intracellulaire peut inclure un changement de transcription, une traduction, l’activation de protéine, parmi d’autres.

Les organismes unicellulaires tels que les bactéries peuvent utiliser un type de signalisation cellulaire appelé détection du quorum pour détecter leur concentration dans une colonie et générer des réponses coordonnées. Les cellules eucaryotes peuvent libérer des ligands qui ciblent la même cellule ayant produit le signal (signalisation autocrine) ou les cellules voisines (signalisation paracrine). Les signaux peuvent même être envoyés sur de longues distances, comme dans le cas de certaines hormones, et produire des réponses dans les cellules éloignées, appelées signalisation endocrinienne. La signalisation dépendante du contact décrit les voies physiques créées entre les cellules voisines par lesquelles les signaux cytoplasmiques peuvent rapidement passer. Les cellules du système nerveux peuvent générer des réponses rapides grâce à une spécialisation de la signalisation cellulaire appelée signalisation synaptique.