Muitos sinais celulares são hidrofílicos e, portanto, não podem passar pela membrana plasmática. No entanto, moléculas de sinalização pequenas ou hidrofóbicas podem atravessar o núcleo hidrofóbico da membrana plasmática e ligar-se a receptores internos, ou intracelulares, que residem dentro da célula. Muitas hormonas esteróides de mamíferos usam esse mecanismo de sinalização celular, assim como o gás óxido nítrico (NO).

De forma semelhante aos receptores ligados à membrana, a ligação de um ligando a um receptor localizado no citoplasma ou núcleo de uma célula causa uma mudança conformacional no receptor. Como fatores de transcrição, o receptor ativo pode ligar-se a locais de ligação de DNA específicos para o receptor para aumentar ou diminuir a transcrição de genes-alvo. No caso de um receptor intracelular localizado no citoplasma, o complexo receptor-ligando deve primeiro atravessar a membrana nuclear.

Muitas hormonas esteróides, incluindo estrogénio e testosterona, usam receptores intracelulares para induzir efeitos específicos. Como exemplo, o estrogénio pode difundir através da membrana; a ligação do estrogénio ao seu receptor resulta na dimerização dos receptores e transporte do complexo ligando-receptor para o núcleo. Uma vez no núcleo, o complexo pode ligar-se a sequências de DNA chamadas Elementos de Resposta a Estrogénio (EREs). Dependendo dos outros fatores de transcrição e coativadores, a ligação de receptores de estrogénio (ERs) ativados aos EREs pode causar um aumento ou diminuição na transcrição dos genes-alvo.

A ativação de outros receptores intracelulares, incluindo alguns receptores hormonais da tiróide, requer que os ligandos atravessem tanto a membrana plasmática como a membrana nuclear, uma vez que os receptores correspondentes residem no núcleo. Esses complexos receptor-ligando podem então ligar-se ao DNA, semelhante ao mecanismo descrito acima.