乙醯膽鹼是一種化學信使，負責在神經系統的突觸間傳遞訊號。它是第一個被發現的神經傳導物質，至今仍是最通用的神經傳導物質之一。

在神經肌肉接頭處，它會觸發肌肉收縮。在大腦中，它支持注意力、學習和記憶；產生乙醯膽鹼的神經元逐漸喪失是阿茲海默症的一個標誌性特徵。在自主神經系統中，它減緩心率並促進消化。不同的受體類型－尼古丁受體和毒蕈鹼受體－使得同一種分子在不同組織中產生不同的效應。

一些能提高乙醯膽鹼水平的藥物，例如用於早期阿茲海默症治療的藥物，可以輕微改善認知症狀。而一些阻斷乙醯膽鹼的藥物，包括某些抗組織胺和抗憂鬱藥，則可能導致口乾、視力模糊和記憶力減退。肉毒桿菌產生的毒素能阻止乙醯膽鹼的釋放，從而麻痺肌肉；在控制劑量下，它被用於醫療和美容領域。

乙醯膽鹼說明了單一化學物質如何既能服務於最簡單的運動行為，又能服務最複雜的心理活動。