Apesar da membrana protetora que separa uma célula do ambiente, as células precisam da capacidade de detectar e responder às mudanças ambientais. Além disso, as células geralmente precisam se comunicar umas com as outras. Organismos unicelulares e multicelulares usam uma variedade de mecanismos de sinalização celular para se comunicar com o ambiente.

As células respondem a muitos tipos de informação, muitas vezes por meio de proteínas receptoras posicionadas na membrana. Por exemplo, as células da pele respondem e transmitem informações de toque, enquanto os fotorreceptores na retina podem detectar luz. A maioria das células, no entanto, evoluiu para responder a sinais químicos, incluindo hormônios, neurotransmissores e muitos outros tipos de moléculas sinalizadoras. As células podem até coordenar diferentes respostas provocadas pela mesma molécula de sinalização.

Normalmente, a sinalização celular envolve três etapas: (1) recepção, (2) transdução e (3) resposta. Na maioria das recepções de sinal, uma molécula impermeável à membrana, ou ligante, causa uma mudança em um receptor de membrana; no entanto, algumas moléculas de sinalização, como hormônios, podem atravessar a membrana para atingir seus receptores internos. O receptor de membrana pode então enviar esse sinal para mensageiros intracelulares, transduzindo a mensagem em uma resposta celular. Essa resposta intracelular pode incluir alterações na transcrição, tradução, ativação de proteínas e outras respostas.

Organismos unicelulares, como bactérias, podem usar um tipo de sinalização celular chamada quorum sensing para detectar sua concentração em uma colônia e gerar respostas coordenadas. As células eucarióticas podem liberar ligantes que têm como alvo a mesma célula que produziu o sinal (sinalização autócrina) ou células vizinhas (sinalização parácrina). Os sinais podem até ser enviados por longas distâncias, como no caso de alguns hormônios, e produzir respostas em células distantes, chamadas de sinalização endócrina. A sinalização dependente de contato descreve vias físicas criadas entre células vizinhas através das quais os sinais citoplasmáticos podem passar rapidamente. As células do sistema nervoso podem gerar respostas rápidas por meio de uma especialização da sinalização celular chamada sinalização sináptica.