受容体に結合するリガンドの多くは親水性であるため、細胞膜を通過することができません。したがって、それらの信号は内部のセカンドメッセンジャーに中継されなければなりません。セカンドメッセンジャーにはいくつかの経路があり、それぞれが独自の方法で情報を伝達します。Gタンパク質共役受容体は、ホスホイノシトール経路とサイクリックAMP（cAMP）経路の両方のセカンドメッセンジャー経路を活性化できます。ホスホイノシトール経路は、受容体がホスホリパーゼCを誘導し、リン脂質であるホスファチジルイノシトール二リン酸（PIP₂）を加水分解して、ジアシルグリセロール（DAG）とイノシトール三リン酸（IP₃）という2つのセカンドメッセンジャーに変換されると活性化されます。DAGは細胞膜付近に留まり、プロテインキナーゼC（PKC）を活性化します。IP₃は小胞体に移動し、小胞体膜上のカルシウムイオンチャネルの開くリガンドとなり、カルシウムを細胞質に放出します。

cAMP経路では、活性化された受容体がアデニル酸シクラーゼを誘導し、近くにあるアデノシン三リン酸（ATP）分子から複数のcAMPを生成します。cAMPはプロテインキナーゼA（PKA）を刺激したり、カルシウムイオンチャネルを開いたり、Epacと呼ばれるcAMPによって活性化される酵素交換タンパク質を始動させたりします。

cAMPと似ているのは、サイクリックグアノシン単リン酸(cGMP)です。cGMPは、グアニルシクラーゼが活性化されると、グアノシン三リン酸（GTP）分子から合成されます。セカンドメッセンジャーとして、cGMPはプロテインキナーゼG（PKG）を誘導します。PKGはPKAと多くの重複する機能を持ちますが、PKGの発現は血管組織、肺、脳に限定されています。

ホスファチジルイノシトール三リン酸（PIP₃）は、PIP₂がリン酸化されできるセカンドメッセンジャーです。これは、成長因子がチロシンキナーゼ（RTK）受容体に結合すると引き起こされます。PIP₃は、Akt（別名：プロテインキナーゼB）を膜にリクルートします。このキナーゼは、増殖、アポトーシス、移動などの細胞生存経路の制御に密接に関与します。