В многоклеточных организмах многие молекулы передают сигналы между клетками для передачи информации. Эти сигналы различаются по сложности и включают в себя небольшие пептиды, нуклеотиды, стероиды, производные жирных кислот и растворенные газы, такие как оксид азота. Некоторые сигнальные молекулы диффундируют через плазматическую мембрану, воздействуя локально между соседними клетками или перемещаясь на большие расстояния. Другие остаются прикрепленными к поверхности клетки, передавая информацию другим клеткам только при контакте. В некоторых случаях может потребоваться специальная обработка, такая как протеолитическое расщепление, для высвобождения внеклеточных доменов трансмембранных сигнальных белков. Например, пептидные и белковые сигналы синтезируются в виде неактивных пре-про-пептидов в шероховатом эндоплазматическом ретикулуме, превращаются в про-пептиды путем ферментативного расщепления и далее обрабатываются в аппарате Гольджи перед ферментативной активацией в транспортных везикулах, предназначенных для экзоцитоза.

Водорастворимые или гидрофильные сигналы, которые не могут пройти через неполярную область плазматической мембраны, или молекулы, которые слишком велики для прохождения через мембрану, связывают внеклеточный домен рецепторов клеточной поверхности. Группа молекул, связывающих рецептор клеточной поверхности, разнообразна. В основном они состоят из аминокислот, которые могут быть немодифицированными, модифицированными в производные или включенными в пептиды и белки. Например, нейротрансмиттеры, такие как глутамат и ГАМК, являются аминокислотными сигналами, синтезируемыми и хранящимися в везикулах нейронами и высвобождаемыми экзоцитозом. Другой нейромедиатор, дофамин, является производным тирозина.

Ионы, особенно кальций, контролируют важнейшие клеточные процессы, такие как сокращение мышц, транскрипция генов и апоптоз. Они могут либо участвовать в прямой внутриклеточной коммуникации через щелевые соединения, либо функционировать в качестве вторых посланников во внутриклеточных сигнальных путях. Оксид азота, газообразная сигнальная молекула, известная своей ролью в расслаблении гладких мышц, диффундирует непосредственно через плазматическую мембрану. Препарат нитроглицерин, который используется для лечения сердечных заболеваний, вызывает выделение оксида азота. Это приводит к расширению кровеносных сосудов и восстановлению притока крови к сердцу.