Un neurotransmetteur est un messager chimique qui transmet des signaux à travers la synapse, d'un neurone à un autre, ou à une cellule musculaire ou glandulaire. Il convertit l'activité électrique de la cellule présynaptique en une influence chimique sur la cellule postsynaptique.

Lorsqu'un potentiel d'action atteint la terminaison axonale, des vésicules libèrent le neurotransmetteur dans la fente synaptique. Les molécules se lient aux récepteurs de la cellule réceptrice, ouvrant des canaux ioniques ou déclenchant des cascades intracellulaires qui excitent ou inhibent le neurone postsynaptique. L'excès de neurotransmetteur est éliminé par recapture par la cellule présynaptique, par dégradation enzymatique ou par diffusion.

Des dizaines de neurotransmetteurs ont été identifiés. L'acétylcholine, la dopamine, la sérotonine, la noradrénaline, le GABA et le glutamate figurent parmi les mieux étudiés. De nombreuses substances psychoactives agissent en imitant, bloquant ou modifiant la disponibilité de neurotransmetteurs spécifiques. La combinaison précise de neurotransmetteurs et de récepteurs à chaque synapse détermine la nature du signal transmis.

L'espace entre les neurones est comblé par des molécules de neurotransmetteurs.