Os neurónios comunicam por sinapses, ou junções, para excitar ou inibir a atividade de outros neurónios ou células-alvo, como músculos. As sinapses podem ser químicas ou elétricas.

A maioria das sinapses são químicas. Isso significa que um impulso elétrico—ou potencial de ação—estimula a libertação de mensageiros químicos. Estes mensageiros químicos também são chamados de neurotransmissores. O neurónio que envia o sinal é chamado de neurónio pré-sináptico. O neurónio que recebe o sinal é o neurónio pós-sináptico.

O neurónio pré-sináptico dispara um potencial de ação que viaja através do seu axónio. A extremidade do axónio, ou terminal do axónio, contém vesículas cheias de neurotransmissores. O potencial de ação abre canais iónicos de cálcio dependentes de voltagem na membrana terminal do axónio. Ca²⁺ entra rapidamente na célula pré-sináptica (devido à maior concentração externa de Ca²⁺, permitindo que as vesículas se fundam com a membrana terminal e libertem neurotransmissores.

O espaço entre as células pré-sinápticas e pós-sinápticas é chamado de fissura sináptica. Os neurotransmissores libertados da célula pré-sináptica povoam rapidamente a fissura sináptica e ligam-se aos receptores do neurónio pós-sináptico. A ligação dos neurotransmissores instiga mudanças químicas no neurónio pós-sináptico, como a abertura ou fecho de canais iónicos. Isso, por sua vez, altera o potencial de membrana da célula pós-sináptica, tornando-a mais ou menos propensa a disparar um potencial de ação.

Para terminar a sinalização, os neurotransmissores na sinapse são degradados por enzimas, reabsorvidos pela célula pré-sináptica, difundidos ou limpos por células da glia.

As sinapses elétricas estão presentes no sistema nervoso de invertebrados e vertebrados. Elas são mais estreitas do que as suas equivalentes químicas e transferem iões diretamente entre os neurónios, permitindo uma transmissão mais rápida do sinal. No entanto, ao contrário das sinapses químicas, as sinapses elétricas não podem amplificar ou transformar sinais pré-sinápticos. As sinapses elétricas sincronizam a atividade do neurónio, o que é favorável para controlar sinais rápidos e invariáveis, como fugir do perigo nas lulas.

Os neurónios podem enviar sinais e recebê-los de muitos outros neurónios. A integração de numerosos sinais recebidos por células pós-sinápticas acabam por determinar os seus padrões de disparo de potenciais de ação.