Em organismos multicelulares, muitas moléculas transmitem sinais entre as células para passar informações. Esses sinais variam em complexidade e incluem pequenos peptídeos, nucleotídeos, esteróides, derivados de ácidos graxos e gases dissolvidos, como óxido nítrico. Algumas moléculas de sinalização se difundem através da membrana plasmática para agir localmente entre células vizinhas ou viajar longas distâncias. Outros permanecem presos à superfície da célula, transmitindo informações para outras células apenas quando fazem contato. Em alguns casos, um processamento especial, como clivagem proteolítica, pode ser necessário para liberar os domínios extracelulares das proteínas de sinalização transmembrana. Por exemplo, sinais de peptídeos e proteínas são sintetizados como pré-pró-peptídeos inativos no retículo endoplasmático rugoso, convertidos em pró-peptídeos por clivagem enzimática e posteriormente processados no aparelho de Golgi antes de serem ativados enzimaticamente nas vesículas de transporte destinadas à exocitose.

Sinais solúveis em água ou hidrofílicos que não podem passar pela região apolar da membrana plasmática ou moléculas que são muito grandes para passar pela membrana se ligam ao domínio extracelular dos receptores da superfície celular. O grupo de moléculas que se ligam ao receptor da superfície celular é diverso. Eles consistem principalmente em aminoácidos que podem não ser modificados, modificados em um derivado ou incorporados em peptídeos e proteínas. Por exemplo, neurotransmissores como glutamato e GABA são sinais de aminoácidos sintetizados e armazenados em vesículas pelos neurônios e liberados por exocitose. Outro neurotransmissor, a dopamina, é derivado da tirosina.

Os íons, particularmente o cálcio, controlam processos celulares críticos, como contração muscular, transcrição gênica e apoptose. Eles podem estar envolvidos na comunicação intracelular direta através de junções comunicantes ou podem funcionar como segundos mensageiros nas vias de sinalização intracelular. O óxido nítrico, uma molécula de sinalização gasosa conhecida por seu papel no relaxamento do músculo liso, difunde-se diretamente através da membrana plasmática. A droga nitroglicerina, que é usada para tratar doenças cardíacas, causa a liberação de óxido nítrico. Isso faz com que os vasos sanguíneos se dilatem e restaura o fluxo sanguíneo para o coração.