從神經系統到骨骼肌的最終共同路徑是運動神經元。它的細胞體位於脊髓或腦幹；它的軸突經由腹根或腦神經發出，並在神經肌肉接頭處與肌肉纖維形成突觸。

單一運動神經元及其支配的肌肉纖維構成一個運動單元。小型運動單元可實現精細控制；大型運動單元則產生更大的力量。運動神經元在決定是否放電之前，會整合來自感覺傳入神經、中間神經元和下行路徑的訊息。它們的放電頻率和募集順序決定了肌肉收縮的力量和時間。

運動神經元的退化會導致肌萎縮側索硬化症及相關疾病的進行性肌無力。神經肌肉接頭處的毒素和自體免疫攻擊也會損害運動輸出。由於運動神經元體積大且易於操作，因此它們一直是研究興奮性、突觸傳遞和疾病機制的模型細胞。

每一個自主運動最終都依賴這些細胞的可靠放電。