Gタンパク質共役受容体は、リガンド結合型の受容体であり、細胞内の変化に間接的に影響を与えます。実際の受容体は1つのポリペプチドで、細胞膜を7回横断し、細胞内外でループを形成しています。細胞外ループは、神経伝達物質やホルモンと結合するリガンド特異的ポケットを形成します。細胞内ループはGタンパク質を保持します。

Gタンパク質（グアニンヌクレオチド結合タンパク質）は、大きなヘテロ三量体複合体です。その3つのサブユニットはα（アルファ）、β（ベータ）、γ（ガンマ）と呼ばれます。受容体が結合しない状態、つまり休んでいる時は、αサブユニットはグアノシン二リン酸分子（GDP）と結合し、3つのサブユニットすべてが受容体に接合しています。

リガンドが受容体に結合すると、αサブユニットはGDPを放出し、グアノシン三リン酸(GTP)分子と結合します。この反応により、α-GTP複合体とβ-γ複合体が受容体から放出されます。α-GTPは膜上を移動し、cAMPなどのセカンドメッセンジャーを活性化します。しかし、α-サブユニットには様々な種類があり、中にはcAMPを抑制するものもあります。

β-γ複合体は、細胞外にカリウム（K+）を放出して細胞膜を過分極させるカリウムイオンチャネルと相互作用する場合があります。この種のリガンド依存型イオンチャネルは、Gタンパク質共役型内向き整流カリウムチャネル（GIRK）と呼ばれます。

リガンドは受容体に永久に結合するわけではありません。リガンドが受容体から離れると、Gタンパク質ユニットとしてして共役し再び結合できるようになります。その前に、近くの酵素がαサブユニットに結合したGTPを加水分解してGDPに戻さねばなりません。これが達成されると、β-γ複合体はGDP-α複合体と再び集合し、Gタンパク質全体が受容体ドメインに再び結合します。

一般的なGタンパク質共役型受容体には、骨格筋に存在するムスカリン性アセチルコリン受容体、心臓に存在するβ1アドレナリン受容体、平滑筋細胞に存在するバソプレシン受容体などがあります。嗅覚受容体や一部の味覚受容体のような感覚系では、結合するリガンドは環境分子です。例えば、スクロース分子がGタンパク質共役型受容体に結合すると、甘味を感じます。

Gタンパク質共役受容体の変化は、うつ病などの気分障害に大きな役割を果たしている可能性があります。セロトニンはGタンパク質共役型受容体、5HT1A受容体のリガンドです。うつ病では、リガンドと受容体の間の相互作用が変化し、リガンドが十分な時間結合しなかったり、受容体が十分に反応しなかったりすることが示唆されています。その結果、セロトニンのシグナル伝達が弱くなり、うつ病として現れるのです。