Molti segnali cellulari sono idrofili e quindi non possono passare attraverso la membrana plasmatica. Tuttavia, le molecole di segnalazione piccole o idrofobiche possono attraversare il nucleo idrofobico della membrana plasmatica e legarsi ai recettori interni, o intracellulari, che risiedono all'interno della cellula. Molti ormoni steroidei mammiferi utilizzano questo meccanismo di segnalazione cellulare, come fa l'ossido nitrico (NO) gas.

Simile ai recettori legati alla membrana, il legame di un ligando a un recettore situato nel citoplasma o nel nucleo di una cellula provoca un cambiamento conformazionale nel recettore. Come i fattori di trascrizione, il recettore attivo può legarsi a siti di legame del DNA specifici del recettore per aumentare o diminuire la trascrizione dei geni bersaglio. Nel caso di un recettore intracellulare situato nel citoplasma, il complesso recettore-ligando deve prima attraversare la membrana nucleare.

Molti ormoni steroidei, tra cui estrogeni e testosterone, usano recettori intracellulari per indurre effetti specifici. Ad esempio, l'estrogeno può diffondersi in tutta la membrana; il legame di estrogeni al suo recettore provoca la dimerizzazione dei recettori e il trasporto del complesso del recettore del ligando al nucleo. Una volta nel nucleo, il complesso può legarsi a sequenze di DNA chiamate Estrogen-Response Elements (ERE). A seconda degli altri fattori di trascrizione e co-attivatori, il legame dei recettori estrogeni attivati (ERR) alle ERE può causare un aumento o una diminuzione della trascrizione dei geni bersaglio.

L'attivazione di altri recettori intracellulari, tra cui alcuni recettori dell'ormone tiroideo, richiede che i ligandanti attraversino sia la membrana plasmatica che la membrana nucleare, poiché i recettori corrispondenti risiedono nel nucleo. Questi complessi ligando-recettore possono quindi legarsi al DNA, simile al meccanismo descritto sopra.