W organizmach wielokomórkowych wiele cząsteczek przekazuje sygnały między komórkami, aby przekazać informacje. Sygnały te różnią się złożonością i obejmują małe peptydy, nukleotydy, steroidy, pochodne kwasów tłuszczowych i rozpuszczone gazy, takie jak tlenek azotu. Niektóre cząsteczki sygnałowe dyfundują przez błonę plazmatyczną, aby działać lokalnie między sąsiednimi komórkami lub pokonują duże odległości. Inne pozostają przyczepione do powierzchni komórki, przekazując informacje innym komórkom tylko wtedy, gdy nawiążą kontakt. W niektórych przypadkach może być wymagane specjalne przetwarzanie, takie jak rozszczepienie proteolityczne, w celu uwolnienia domen zewnątrzkomórkowych transbłonowych białek sygnałowych. Na przykład sygnały peptydowe i białkowe są syntetyzowane jako nieaktywne pre-pro-peptydy w szorstkiej retikulum endoplazmatycznym, przekształcane w pro-peptydy przez rozszczepienie enzymatyczne i dalej przetwarzane w aparacie Golgiego przed enzymatyczną aktywacją w pęcherzykach transportowych przeznaczonych do egzocytozy.

Sygnały rozpuszczalne w wodzie lub hydrofilowe, które nie mogą przejść przez niepolarny obszar błony plazmatycznej lub cząsteczki, które są zbyt duże, aby przejść przez błonę, wiążą domenę zewnątrzkomórkową receptorów na powierzchni komórki. Grupa cząsteczek wiążących receptor na powierzchni komórki jest zróżnicowana. Składają się głównie z aminokwasów, które mogą być niemodyfikowane, modyfikowane do pochodnej lub włączane do peptydów i białek. Na przykład neuroprzekaźniki, takie jak glutaminian i GABA, są sygnałami aminokwasowymi syntetyzowanymi i przechowywanymi w pęcherzykach przez neurony i uwalnianymi przez egzocytozę. Inny neuroprzekaźnik, dopamina, pochodzi z tyrozyny.

Jony, zwłaszcza wapń, kontrolują krytyczne procesy komórkowe, takie jak skurcz mięśni, transkrypcja genów i apoptoza. Mogą być zaangażowane w bezpośrednią komunikację wewnątrzkomórkową poprzez połączenia szczelinowe lub mogą funkcjonować jako drugie przekaźniki w wewnątrzkomórkowych szlakach sygnałowych. Tlenek azotu, gazowa cząsteczka sygnalizacyjna znana ze swojej roli w rozluźnieniu mięśni gładkich, dyfunduje bezpośrednio przez błonę plazmatyczną. Lek nitrogliceryna, która jest stosowana w leczeniu chorób serca, powoduje uwalnianie tlenku azotu. Powoduje to rozszerzenie naczyń krwionośnych i przywrócenie przepływu krwi do serca.