Den sista gemensamma vägen från nervsystemet till skelettmuskulaturen är motorneuronen. Dess cellkropp ligger i ryggmärgen eller hjärnstammen; dess axon utgår via en ventralrot- eller kranialnerv och synapserar till muskelfibrer vid den neuromuskulära övergången.

En enskild motorneuron och de muskelfibrer den innerverar utgör en motorisk enhet. Små motorenheter möjliggör finkontroll; stora genererar större kraft. Motorneuroner integrerar insignaler från sensoriska afferenter, interneuroner och nedåtgående nerver innan de beslutar om de ska avfyra. Deras avfyrningshastighet och rekryteringsordning bestämmer kraften och tidpunkten för muskelkontraktionen.

Degeneration av motorneuroner orsakar den progressiva svagheten hos amyotrofisk lateralskleros och relaterade sjukdomar. Toxiner och autoimmuna attacker vid den neuromuskulära övergången försämrar också motorisk prestation. Eftersom motorneuroner är stora och tillgängliga har de varit modellceller för att studera excitabilitet, synaptisk transmission och sjukdomsmekanismer.

Varje frivillig rörelse är i slutändan beroende av en tillförlitlig avfyrning av dessa celler.