Несмотря на защитную мембрану, отделяющую клетку от окружающей среды, клеткам необходима способность обнаруживать изменения окружающей среды и реагировать на них. Кроме того, клеткам часто необходимо общаться друг с другом. Одноклеточные и многоклеточные организмы используют различные клеточные сигнальные механизмы, чтобы взаимодействовать с окружающей средой.

Клетки реагируют на многие типы информации, часто через рецепторные белки, расположенные на мембране. Например, клетки кожи реагируют на прикосновения и передают информацию о них, а фоторецепторы сетчатки могут обнаруживать свет. Однако большинство клеток эволюционировали, чтобы реагировать на химические сигналы, включая гормоны, нейротрансмиттеры и многие другие типы сигнальных молекул. Клетки могут даже координировать разные ответы, вызываемые одной и той же сигнальной молекулой.

Как правило, передача сигналов клетки включает три этапа: (1) прием сигнала, (2) передача сигнала и (3) ответ. В большинстве случаев приема сигнала непроницаемая для мембраны молекула или лиганд вызывает изменение мембранного рецептора; однако некоторые сигнальные молекулы, такие как гормоны, могут проходить через мембрану, чтобы достичь своих внутренних рецепторов. Затем мембранный рецептор может послать этот сигнал внутриклеточным мессенджерам, которые преобразуют сообщение в клеточный ответ. Этот внутриклеточный ответ может включать изменение транскрипции, трансляции, активации белка и многие другие.

Одноклеточные организмы, такие как бактерии, могут использовать тип клеточной сигнализации, называемый кворум-зондированием, для определения их концентрации в колонии и выработки скоординированных ответов. Эукариотические клетки могут высвобождать лиганды, которые нацелены на ту же клетку, которая продуцирует сигнал (аутокринная передача сигналов) или соседние клетки (паракринная передача сигналов). Сигналы могут даже передаваться на большие расстояния, как в случае некоторых гормонов, и вызывать ответные реакции в отдаленных клетках, называемые эндокринными сигналами. Контактно-зависимая передача сигналов описывает физические пути, созданные между соседними клетками, через которые могут быстро проходить цитоплазматические сигналы. Клетки нервной системы могут генерировать быстрые ответы благодаря специализации передачи сигналов клеток, называемой синаптической передачей сигналов.