Glutamat är den primära exciterande neurotransmittorn i däggdjurshjärnan. Den ökar sannolikheten för att en neuron ska aktiveras och är avgörande för snabb synaptisk överföring, inlärning och minne.

Glutamat verkar på flera receptortyper, inklusive AMPA- och NMDA-receptorer. AMPA-receptorer medierar snabba exciterande postsynaptiska potentialer. NMDA-receptorer, som kräver både glutamat och postsynaptisk depolarisering för att öppnas, spelar en avgörande roll i synaptisk plasticitet. Koincidensdetektering som utförs av NMDA-receptorer betraktas allmänt som en cellulär inlärningsmekanism: när pre- och postsynaptisk aktivitet sammanfaller, kommer kalcium in och utlöser de bestående förändringar som stärker synapsen.

För mycket glutamat är giftigt. Överaktivering av glutamatreceptorer kan döda neuroner, en process som är inblandad i stroke, traumatisk hjärnskada och vissa neurodegenerativa sjukdomar. Läkemedel som modulerar glutamatöverföring undersöks för depression, schizofreni och kognitiv förbättring.

När en neuron snabbt exciterar en annan är glutamat vanligtvis budbäraren.