Bir hücreyi ortamdan ayıran koruyucu zara rağmen, hücrelerin çevresel değişiklikleri algılama ve bunlara tepki verme yeteneğine ihtiyacı vardır. Ek olarak, hücrelerin genellikle birbirleriyle iletişim kurması gerekir. Tek hücreli ve çok hücreli organizmalar, çevreye yanıt vermek üzere iletişim kurmak için çeşitli hücre sinyalleme mekanizmaları kullanır.

Hücreler, çoğu zaman zar üzerinde konumlandırılan reseptör proteinleri aracılığıyla pek çok bilgi türüne yanıt verir. Örneğin, cilt hücreleri dokunma bilgisine yanıt verir ve bunları iletirken, retinadaki fotoreseptörler ışığı algılayabilir. Bununla birlikte, çoğu hücre, hormonlar, nörotransmiterler ve diğer birçok sinyal molekülü türü dahil olmak üzere kimyasal sinyallere yanıt verecek şekilde gelişmiştir. Hücreler, aynı sinyal molekülünün ortaya çıkardığı farklı yanıtları bile koordine edebilir.

Tipik olarak, hücre sinyallemesi üç adımı içerir: (1) sinyalin alınması, (2) sinyal iletimi ve (3) bir yanıt. Çoğu sinyal alımında, zarı geçirmeyen bir molekül veya ligand, bir zar reseptöründe bir değişikliğe neden olur; bununla birlikte, hormonlar gibi bazı sinyal molekülleri, iç reseptörlerine ulaşmak için zardan geçebilir. Membran reseptörü daha sonra bu sinyali hücre içi habercilere gönderebilir ve bu da mesajı hücresel bir yanıta dönüştürür. Bu hücre içi yanıt, bir değişiklik transkripsiyonunu, translasyonu, protein aktivasyonunu veya diğerlerini içerebilir.

Bakteriler gibi tek hücreli organizmalar, bir kolonideki konsantrasyonlarını tespit etmek ve koordineli yanıtlar oluşturmak için çekirdek algılama adı verilen bir tür hücre sinyali kullanabilir. Ökaryotik hücreler, sinyali (otokrin sinyalleme) veya komşu hücreleri (parakrin sinyalleme) üreten aynı hücreyi hedefleyen ligandları serbest bırakabilir. Sinyaller, bazı hormonlarda olduğu gibi uzun mesafelere bile gönderilebilir ve uzak hücrelerde endokrin sinyalleme adı verilen yanıtlar üretebilir. Temas bağımlı sinyalleşme, sitoplazmik sinyallerin hızla geçebileceği komşu hücreler arasında oluşturulan fiziksel yolları tanımlar. Sinir sistemi hücreleri, sinaptik sinyalleşme adı verilen bir hücre sinyali uzmanlaşması yoluyla hızlı yanıtlar üretebilir.