細胞は、保護膜によって環境から隔てられているにもかかわらず、環境の変化を感知して対応する能力を必要とします。さらに、細胞同士のコミュニケーションが必要になることもあります。単細胞および多細胞生物は、さまざまな細胞シグナル伝達機構を用いて、環境に対応するためのコミュニケーションを行っています。

細胞は多くの種類の情報に反応するが、その多くは膜上に配置された受容体タンパク質を介しています。例えば、皮膚細胞は触覚情報に反応して伝達し、網膜の光受容体は光を検知します。一方、ほとんどの細胞は、ホルモンや神経伝達物質など、さまざまな種類のシグナル分子を含む化学信号に反応するように進化してきました。細胞は、同じシグナル分子によって引き起こされる異なる反応を調整することもできます。

通常、細胞のシグナル伝達には、(1)シグナルの受信、(2)シグナルの伝達、(3)反応の3つのステップがあります。ほとんどのシグナル受信では、膜不透過性の分子（リガンド）が膜受容体に変化をもたらします。しかし、ホルモンなどの一部のシグナル分子は、膜を通過して内部の受容体に到達できます。膜受容体は、このシグナルを細胞内のメッセンジャーに送ることができ、メッセージを細胞の反応に伝達します。この細胞内反応には、転写、翻訳、タンパク質の活性化など、さまざまな変化が含まれます。

細菌などの単細胞生物は、単細胞生物は、コロニー内の自分の濃度を検知し、協調的な反応を起こすために、クォーラムセンシングと呼ばれる一種のセルシグナルを用いることができます。真核細胞では、シグナルを発した細胞と同じ細胞を標的とするリガンドを放出したり（自己分泌）、隣接する細胞を標的とするリガンドを放出したりします（傍分泌）。また、一部のホルモンのように、シグナルが長距離を移動して、離れた細胞に反応を起こすこともあり、これを内分泌と呼びます。接触型シグナル伝達は、隣接する細胞間に作られた物理的な経路で、細胞質のシグナルが迅速に伝達されることを意味します。神経系の細胞は、シナプス型シグナル伝達と呼ばれる特殊な細胞シグナル伝達によって迅速な反応を起こすことができます。