Nonostante la membrana protettiva che separa una cellula dall'ambiente, le cellule devono essere in grado di rilevare e rispondere ai cambiamenti ambientali. Inoltre, le cellule spesso devono comunicare tra loro. Gli organismi unicellulari e multicellulari utilizzano una varietà di meccanismi di segnalazione cellulare per comunicare con l'ambiente.

Le cellule rispondono a molti tipi di informazioni, spesso attraverso proteine recettoriali posizionate sulla membrana. Ad esempio, le cellule della pelle rispondono e trasmettono informazioni tattili, mentre i fotorecettori nella retina possono rilevare la luce. La maggior parte delle cellule, tuttavia, si è evoluta per rispondere a segnali chimici, inclusi ormoni, neurotrasmettitori e molti altri tipi di molecole di segnalazione. Le cellule possono anche coordinare diverse risposte suscitate dalla stessa molecola di segnalazione.

In genere, la segnalazione cellulare prevede tre passaggi: (1) ricezione, (2) trasduzione e (3) risposta. Nella maggior parte della ricezione del segnale, una molecola impermeabile alla membrana, o ligando, provoca un cambiamento in un recettore di membrana; Tuttavia, alcune molecole di segnalazione, come gli ormoni, possono attraversare la membrana per raggiungere i loro recettori interni. Il recettore di membrana può quindi inviare questo segnale ai messaggeri intracellulari, trasducendo il messaggio in una risposta cellulare. Questa risposta intracellulare può includere cambiamenti nella trascrizione, nella traduzione, nell'attivazione delle proteine e in altre risposte.

Gli organismi unicellulari come i batteri possono utilizzare un tipo di segnalazione cellulare chiamata quorum sensing per rilevare la loro concentrazione in una colonia e generare risposte coordinate. Le cellule eucariotiche possono rilasciare ligandi che prendono di mira la stessa cellula che ha prodotto il segnale (segnalazione autocrina) o le cellule vicine (segnalazione paracrina). I segnali possono anche essere inviati su lunghe distanze, come nel caso di alcuni ormoni, e produrre risposte in cellule distanti, chiamate segnalazione endocrina. La segnalazione dipendente dal contatto descrive i percorsi fisici creati tra le cellule vicine attraverso i quali i segnali citoplasmatici possono passare rapidamente. Le cellule del sistema nervoso possono generare risposte rapide attraverso una specializzazione della segnalazione cellulare chiamata segnalazione sinaptica.