已發現的神經遞質超過100種，它們可以分為兩大類：小分子神經遞質和大分子神經多肽。 [2]
小分子經典遞質除了最早發現的乙酰膽堿外，還有生物活性胺類遞質和氨基酸類遞質。生物活性胺類遞質由于分子中都帶有胺基而得名，主要有兒茶酚胺類遞質（多巴胺、去甲腎上腺素、腎上腺素）和5-羥色胺；組胺雖然在化學結構上屬于咪唑基團，但按照習慣也把它歸為胺類遞質。氨基酸類遞質都是單個氨基酸分子，如谷氨酸、甘氨酸、γ氨基丁酸（GABA）。前兩者是構建蛋白質的基本單位，廣泛分布在所有細胞中；GABA為神經元所特有。除了這些已經得到確認的小分子遞質外，還有像天冬氨酸、ATP等小分子也發現具有類似于神經遞質的特性。通常神經元可按它所分泌的小分子遞質來歸類，如：分泌乙酰膽堿的神經元統稱為膽堿能神經元，類似的還有谷氨酸能神經元、γ氨基丁酸能神經元、多巴胺能神經元、腎上腺素能神經元、去甲腎上腺素能神經元等。 [2]
神經遞質中種類繁多的是大分子神經多肽。自1970年以來，已發現有100多種多肽分子符合上述神經遞質標準。這些多肽與單個氨基酸分子遞質不同，大多由3~36個氨基酸組成，它們組成了神經多肽的大家族。許多分子最初并非是在神經系統中發現的，如縮膽囊素；此外，很多經典神經激素類物質現在被認為也可在局部發揮神經遞質的作用，如垂體后葉激素（催產素和血管加壓素）等。事實上，現在發現神經激素和神經遞質間存在著越來越多的交叉。若要判斷某種生物活性多肽屬于激素還是遞質，主要看它發揮作用的距離：激素通過血液循環作用于靶細胞，因此靶細胞常遠離激素分泌細胞；而遞質作用于突觸后細胞的距離則小得多，只需彌散于幾十納米的突觸間隙即能與突觸后膜上的受體結合，即使有些遞質可通過擴散影響到周圍的細胞，作用距離也不過幾十到幾百微米。