Apesar da membrana protetora que separa uma célula do ambiente, as células precisam da capacidade de detectar e responder às mudanças ambientais. Além disso, muitas vezes as células precisam comunicar entre si. Organismos unicelulares e multicelulares usam uma variedade de mecanismos de sinalização celular para se comunicarem em resposta ao ambiente.

As células respondem a muitos tipos de informação, muitas vezes através de proteínas receptoras posicionadas na membrana. Por exemplo, as células da pele respondem e transmitem informações de toque, enquanto que os fotorreceptores na retina podem detectar luz. A maioria das células, no entanto, evoluiu para responder a sinais químicos, incluindo hormonas, neurotransmissores e muitos outros tipos de moléculas de sinalização. As células podem até coordenar diferentes respostas provocadas pela mesma molécula de sinalização.

Normalmente, a sinalização celular envolve três etapas: (1) recepção do sinal, (2) transdução do sinal e (3) uma resposta. Na maioria das recepções de sinal, uma molécula impermeável à membrana, ou ligando, causa uma alteração em um receptor de membrana; no entanto, algumas moléculas de sinalização, como hormonas, podem atravessar a membrana para chegar aos seus receptores internos. O receptor da membrana pode então enviar este sinal para mensageiros intracelulares, que transduzem a mensagem em uma resposta celular. Esta resposta intracelular pode incluir uma alteração da transcrição, tradução, ativação de proteínas, ou muitas outras.

Organismos unicelulares como bactérias podem usar um tipo de sinalização celular chamada comunicação por quórum para detectarem a sua concentração em uma colónia e gerarem respostas coordenadas. As células eucarióticas podem libertar ligandos que visam a mesma célula que produziu o sinal (sinalização autócrina) ou células vizinhas (sinalização parácrina). Os sinais podem até ser enviados a longas distâncias, como no caso de algumas hormonas, e produzir respostas em células distantes, chamada sinalização endócrina. A sinalização dependente de contato descreve caminhos físicos criados entre células vizinhas através das quais sinais citoplasmáticos podem passar rapidamente. As células do sistema nervoso podem gerar respostas rápidas através de uma especialização da sinalização celular chamada sinalização sináptica.