Glutamat er den primære excitatoriske neurotransmitter i pattedyrs hjerne. Det øger sandsynligheden for, at en neuron vil aktiveres, og er afgørende for hurtig synaptisk transmission, indlæring og hukommelse.

Glutamat virker på flere receptortyper, herunder AMPA- og NMDA-receptorer. AMPA-receptorer medierer hurtige exciterende postsynaptiske potentialer. NMDA-receptorer, som kræver både glutamat og postsynaptisk depolarisering for at åbne, spiller en afgørende rolle i synaptisk plasticitet. Den koincidensdetektion, der udføres af NMDA-receptorer, betragtes bredt som en cellulær læringsmekanisme: når præ- og postsynaptisk aktivitet falder sammen, trænger calcium ind og udløser de varige ændringer, der styrker synapsen.

For meget glutamat er giftigt. Overaktivering af glutamatreceptorer kan dræbe neuroner, en proces der er involveret i slagtilfælde, traumatisk hjerneskade og visse neurodegenerative sygdomme. Lægemidler, der modulerer glutamattransmission, er under efterforskning i forbindelse med depression, skizofreni og kognitiv forbedring.

Når en neuron hurtigt exciterer en anden, er glutamat normalt budbringeren.