神經肽(neuropeptide)是上述少數「經典」遞質以外的一組多肽分子，它們在神經系統中產生和釋放，作為遞質或影響突觸傳遞的突觸調質(synanpic modulator)發揮作用。第一個神經肽是U．S．von Euler和J．H．Gaddum在1931年發現的。當他們檢定兔腦和小腸提取液中的乙醯膽鹼時發現，這種提取液引起游離腸段的收縮類似乙醯膽鹼的作用，但是這種收縮不能被乙醯膽鹼拮抗劑所阻斷。他們發現收縮是由一種多肽引起的，命名為P物質(substance P)。此後一系列的神經肽相繼在脊椎動物的中樞神經系統、外周神經系統、植物性神經系統以及無脊椎動物的神經系統中被發現。
有趣的是有些神經肽最初是在內臟中發現的，如胃腸激素中的高血糖素、膽囊收縮素。近年來用螢光抗體免疫標記法可在組織切片中定位神經肽。現在已知的神經肽有幾十種，包括P物質、腦啡肽(enkephalin)、血管活性腸肽(vasoactive intestinal polypeptide，VIP)、抗利尿素、催產素、促腎上腺皮質激素釋放因子等等。有些神經肽既可作為神經遞質又可作為神經激素
發揮作用，如同去甲腎上腺素一樣。近年來還發現有些神經肽可以同經典遞質如乙醯膽鹼、去甲腎上腺素共存於神經末梢中，作為經典遞質的協同遞質(cotransmitter)釋放出來。
腦啡肽和內啡肽(endorphin)是引人注意的兩類神經肽，因為它們有鎮痛和產生阿片樣欣快感的作用。與其它的神經肽的發現有所不同，在體內首先發現的是阿片受體(opioid receptor)。在1973年有三個實驗室獨立發現在哺乳動物腦中存在阿片受體，這些受體能與阿片樣物質結合併啟動其效應。阿片受體的存在預示著體內也有內源性阿片樣物質，因為阿片受體的天然作用不會是與罌粟等類植物的提取物相互作用，而是與體內某些阿片樣物質相互作用。幾年後在哺乳動物腦中發現具有阿片樣活性的肽類，阿片肽(opioid peptide)。
阿片肽的大小相差頗大，從5個胺基酸的腦啡肽到31個胺基酸的β-內啡肽，但它們都有5個共同的胺基酸序列，即酪氨酸-甘氨酸-甘氨酸-苯丙氨酸-甲硫氨酸(或亮硫氨酸)。這一序列是阿片肽的標誌，也是它們與阿片受體結合併表現出阿片樣藥理活性所必需的。神經元是一個統一的整體，它的各個末梢所釋放的遞質應是同樣的。
1957年J．Eccles進一步概括為一種神經元只釋放一種遞質，被稱為Dale原則。因之神經元就以所釋放的遞質命名，如乙醯膽鹼神經元、腎上腺素神經元等。近年來的研究表明，一種神經元可以包含不止一種遞質，如在經典遞質之外還有神經肽。在支配貓唾液腺的頜下神經節的部分細胞中有血管活性腸肽(VIP)與乙醯膽鹼共存。刺激支配頜下腺的副交感神經可從頜下腺的
靜脈血中檢出乙醯膽鹼和血管活性腸肽，說明神經末梢釋放兩種遞質。低頻電刺激(2赫)引起血管舒張和唾液分泌，這些作用可以用毒扁豆鹼增強和阿託平阻斷，表明是乙醯膽鹼的效應。但高頻電刺激(15赫)引起的血管舒張不被阿託平阻斷，這是血管活性肽的效應。
除神經遞質在神經調節中起作用外，還有神經調質(neuromodulator)也在發揮作用。神經調質是神經細胞和某些內分泌細胞所釋放的一些物質，它們不直接引起所支配細胞的機能變化，而是調製突觸前末梢釋放經典遞質的活動以及突觸後細胞對遞質的反應。
衝動在神經纖維上的傳導速度比較恆定，但在通過化學突觸時均呈現一定的時間延擱-突觸延擱。突觸延擱指從興奮傳導到突觸前末梢到突觸後電位出現的時間間隔。哺乳動物中樞突觸的突觸延擱約0.2～0.3毫秒，青蛙神經節內的長達2～3毫秒；經電突觸的興奮傳遞不顯現突觸延擱。化學突觸傳遞因受遞質代謝的限制易出現疲勞；電突觸的傳遞則和纖維傳導一樣是不疲勞的。化學傳遞易受環境因素如血流、代謝以及能影響遞質合成、分解、釋放和受體功能的藥物等的抑制和促進；電突觸的傳遞則不易受這些因素的影響，不過也發現了一些調製電突觸的因素。那些需要快速並同步活動的神經元之間多為電突觸。如支配蝦弓身逃避反射的快速定型化活動便是主要藉助電突觸實現的；至於那些細緻的協調活動，特別是那些前面活動需要給後來的活動留下影響的情況，如學習、記憶等，則應是由化學突觸實現的。