Wiele sygnałów komórkowych jest hydrofilowych i dlatego nie może przejść przez błonę plazmatyczną. Jednak małe lub hydrofobowe cząsteczki sygnałowe mogą przenikać przez hydrofobowy rdzeń błony plazmatycznej i wiązać się z wewnętrznymi lub wewnątrzkomórkowymi receptorami, które znajdują się w komórce. Wiele hormonów steroidowych ssaków wykorzystuje ten mechanizm sygnalizacji komórkowej, podobnie jak gazowy tlenek azotu (NO).

Podobnie jak w przypadku receptorów związanych z błoną, wiązanie liganda z receptorem znajdującym się w cytoplazmie lub jądrze komórki powoduje zmianę konformacyjną receptora. Podobnie jak czynniki transkrypcyjne, aktywny receptor może wiązać się z miejscami wiązania DNA specyficznymi dla receptora, aby zwiększyć lub zmniejszyć transkrypcję docelowych genów. W przypadku receptora wewnątrzkomórkowego znajdującego się w cytoplazmie kompleks receptor-ligand musi najpierw przejść przez błonę jądrową.

Wiele hormonów steroidowych, w tym estrogen i testosteron, wykorzystuje receptory wewnątrzkomórkowe do wywoływania określonych efektów. Na przykład estrogen może dyfundować przez błonę; Wiązanie estrogenu z jego receptorem powoduje dimeryzację receptorów i transport kompleksu ligand-receptor do jądra. Po dostaniu się do jądra kompleks może wiązać się z sekwencjami DNA zwanymi elementami odpowiedzi estrogenowej (ERE). W zależności od innych czynników transkrypcyjnych i koaktywatorów, wiązanie aktywowanych receptorów estrogenowych (ER) z ERE może powodować wzrost lub spadek transkrypcji docelowych genów.

Aktywacja innych receptorów wewnątrzkomórkowych, w tym niektórych receptorów hormonów tarczycy, wymaga, aby ligandy przechodziły zarówno przez błonę plazmatyczną, jak i błonę jądrową, ponieważ odpowiednie receptory znajdują się w jądrze. Te kompleksy ligand-receptor mogą następnie wiązać się z DNA, podobnie jak w mechanizmie opisanym powyżej.