Το γλουταμινικό οξύ είναι ο κύριος διεγερτικός νευροδιαβιβαστής στον εγκέφαλο των θηλαστικών. Αυξάνει την πιθανότητα ενεργοποίησης ενός νευρώνα και είναι απαραίτητο για την ταχεία συναπτική μετάδοση, τη μάθηση και τη μνήμη.

Το γλουταμινικό δρα σε διάφορους τύπους υποδοχέων, συμπεριλαμβανομένων των υποδοχέων AMPA και NMDA. Οι υποδοχείς AMPA μεσολαβούν σε γρήγορα διεγερτικά μετασυναπτικά δυναμικά. Οι υποδοχείς NMDA, οι οποίοι απαιτούν τόσο γλουταμινικό όσο και μετασυναπτική αποπόλωση για να ανοίξουν, παίζουν κρίσιμο ρόλο στη συναπτική πλαστικότητα. Η ανίχνευση σύμπτωσης που εκτελείται από τους υποδοχείς NMDA θεωρείται ευρέως ως ένας κυτταρικός μηχανισμός μάθησης: όταν η προ- και η μετασυναπτική δραστηριότητα συμπίπτουν, το ασβέστιο εισέρχεται και ενεργοποιεί τις διαρκείς αλλαγές που ενισχύουν τη σύναψη.

Η υπερβολική ποσότητα γλουταμινικού οξέος είναι τοξική. Η υπερενεργοποίηση των υποδοχέων γλουταμινικού οξέος μπορεί να σκοτώσει νευρώνες, μια διαδικασία που εμπλέκεται σε εγκεφαλικό επεισόδιο, τραυματική εγκεφαλική βλάβη και ορισμένες νευροεκφυλιστικές ασθένειες. Φάρμακα που ρυθμίζουν τη μετάδοση του γλουταμινικού οξέος βρίσκονται υπό διερεύνηση για την κατάθλιψη, τη σχιζοφρένεια και τη γνωστική ενίσχυση.

Όταν ένας νευρώνας διεγείρει γρήγορα έναν άλλο, το γλουταμινικό είναι συνήθως ο αγγελιοφόρος.