มีระบบโมเลกุลส่งสัญญาณที่สองหลายอย่าง (เช่น cAMP, phosphoinositol, และ arachidonic acid)แต่ทั้งหมดก็มีกลไกทั่วไปที่คล้ายกันมาก แม้สารที่เกี่ยวข้องและผลที่ได้จะต่างกัน

โดยมาก จะมีลิแกนด์หนึ่งที่จับกับโมเลกุลโปรตีนตัวรับ (receptor protein) ซึ่งแผ่ข้ามเยื่อหุ้มเซลล์ นอกเซลล์การจับกันระหว่างลิแกนด์กับโปรตีนตัวรับทำให้ตัวรับแปรสภาพแบบ conformational changeซึ่งมีผลต่อการทำงานของตัวรับและมีผลให้สร้างโมเลกุลส่งสัญญาณที่สอง

ในกรณีของ G protein-coupled receptors การแปรสภาพจะเปิดจุดยึด (binding site) ของโปรตีนตัวรับกับจีโปรตีน (G-protein ตั้งชื่อตามโมเลกุลที่เข้ายึดกับโปรตีนคือ guanosine diphosphate ตัวย่อ GDP และ guanosine triphosphate ตัวย่อ GTP) ซึ่งยึดอยู่ที่เยื่อหุ้มเซลล์ด้านในโดยมีหน่วยย่อย ๆ 3 หน่วยคือ แอลฟา บีตา และแกมมาจีโปรตีนเรียกอีกอย่างได้ว่า ตัวแปรสัญญาณ (transducer)[6]

เมื่อจีโปรตีนเข้ายึดกับโปรตีนตัวรับ มันก็จะสามารถแลกเปลี่ยนโมเลกุล GDP ที่อยู่ในหน่วยแอลฟาของมันไปเป็น GTP การแลกเปลี่ยนโมเลกุลมีผลทำให้หน่วยย่อยแอลฟาของโปรตีนแปรสัญญาณแยกเป็นอิสระจากหน่วยย่อยบีตาและแกมมา โดยหน่วยย่อยทั้งหมดก็ยังยึดอยู่กับเยื่อหุ้มเซลล์อยู่หน่วยย่อยแอลฟาที่เป็นอิสระ สามารถวิ่งไปตามเยื่อหุ้มเซลล์ด้านใน ในที่สุดก็จะเข้ายึดกับโปรตีนซึ่งติดอยู่กับเยื่อหุ้มเซลล์อีกชนิดหนึ่ง คือ หน่วยปฏิบัติงานหลัก (primary effector) เช่น adenylyl cyclase[6]

หน่วยปฏิบัติงานก็จะเริ่มทำงาน ซึ่งสร้างสัญญาณที่แพร่ไปในเซลล์สัญญาณนี้เรียกว่า โมเลกุลส่งสัญญาณที่สอง ซึ่งก็อาจเริ่มการทำงานของหน่วยปฏิบัติงานที่สอง (secondary effector) ซึ่งมีผลขึ้นอยู่กับชนิดโมเลกุลส่งสัญญาณที่สองโดยเฉพาะ ๆ

ไอออนแคลเซียมเป็นโมเลกุลส่งสัญญาณที่สองอย่างหนึ่ง และมีหน้าที่ทางสรีรภาพที่สำคัญหลายอย่างรวมทั้งการหดเกร็งของกล้ามเนื้อ การผสมเชื้อ และการปล่อยสารสื่อประสาทไอออนปกติจะยึดอยู่หรือเก็บไว้ในที่เก็บภายในเซลล์บางอย่าง (เช่น ร่างแหเอนโดพลาซึม) และจะปล่อยออกในช่วงการถ่ายโอนสัญญาณโดยเอนไซม์ phospholipase C จะสร้าง diacylglycerol และ inositol trisphosphate[7]ซึ่งเป็นตัวกระตุ้นให้ปล่อยไอออนแคลเซียมภายในเซลล์จีโปรตีนที่ออกฤทธิ์ก็จะเปิดช่องแคลเซียมเพื่อให้ไอออนแคลเซียมไหลผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ได้ส่วนผลผลิตอีกอย่างของ phospholipase C คือ diacylglycerol จะเริ่มการทำงานของ protein kinase C ซึ่งจุดชนวนการทำงานของ cAMP อันเป็นโมเลกุลส่งสัญญาณที่สองอีกอย่างหนึ่ง