Negli organismi pluricellulari, molte molecole trasmettono segnali tra le cellule per passare informazioni. Questi segnali variano in complessità e includono piccoli peptidi, nucleotidi, steroidi, derivati degli acidi grassi e gas disciolti come l'ossido nitrico. Alcune molecole di segnalazione si diffondono attraverso la membrana plasmatica per agire localmente tra cellule vicine o percorrere lunghe distanze. Altri rimangono attaccati alla superficie cellulare, trasmettendo informazioni ad altre cellule solo quando entrano in contatto. In alcuni casi, può essere necessario un trattamento speciale, come la scissione proteolitica, per rilasciare i domini extracellulari delle proteine di segnalazione transmembrana. Ad esempio, i segnali peptidici e proteici sono sintetizzati come pre-pro-peptidi inattivi nel reticolo endoplasmatico ruvido, convertiti in pro-peptidi mediante scissione enzimatica e ulteriormente elaborati nell'apparato di Golgi prima di essere attivati enzimaticamente nelle vescicole di trasporto destinate all'esocitosi.

I segnali idrosolubili o idrofili che non possono passare attraverso la regione non polare della membrana plasmatica o le molecole troppo grandi per passare attraverso la membrana legano il dominio extracellulare dei recettori della superficie cellulare. Il gruppo di molecole che legano il recettore della superficie cellulare è vario. Sono costituiti principalmente da amminoacidi che possono essere non modificati, modificati in un derivato o incorporati in peptidi e proteine. Ad esempio, i neurotrasmettitori come il glutammato e il GABA sono segnali di aminoacidi sintetizzati e immagazzinati in vescicole dai neuroni e rilasciati dall'esocitosi. Un altro neurotrasmettitore, la dopamina, è derivato dalla tirosina.

Gli ioni, in particolare il calcio, controllano processi cellulari critici come la contrazione muscolare, la trascrizione genica e l'apoptosi. Possono essere coinvolti nella comunicazione intracellulare diretta attraverso giunzioni gap o possono funzionare come secondi messaggeri nelle vie di segnalazione intracellulare. L'ossido nitrico, una molecola gassosa di segnalazione nota per il suo ruolo nel rilassamento della muscolatura liscia, si diffonde direttamente attraverso la membrana plasmatica. Il farmaco nitroglicerina, che viene usato per trattare le malattie cardiache, provoca il rilascio di ossido nitrico. Questo provoca la dilatazione dei vasi sanguigni e ripristina il flusso sanguigno al cuore.