Een signaalmolecuul of signaalstof is een chemische verbinding die de overdracht van informatie tussen levende cellen verzorgt. Deze moleculen worden door een cel afgegeven, verplaatsen zich binnen het organisme of tussen individuen, en binden uiteindelijk aan een receptor van een andere cel. Binnen de cel die het signaal ontvangt, wordt vervolgens een signaalmechanisme in gang gezet, dat ertoe leidt dat er veranderingen in die cel plaatsvinden. Voorbeelden van signaalstoffen zijn hormonen, feromonen, cytokinen en neurotransmitters.
Eenvoudig gezegd kunnen cellen dus boodschappen uit hun omgeving ontvangen door middel van signaalmoleculen. Dit is een fundamentele eigenschap van levende wezens: zowel eencellige bacteriën als meercellige eukaryoten reguleren hiermee hun fysiologie. In planten en dieren wordt communicatie tussen cellen voornamelijk verzorgd door extracellulaire signaalmoleculen. Deze opereren soms over lange afstanden (systemisch), of juist heel lokaal (paracrien, autocrien). Signaalmoleculen binden zich aan specifieke receptoren die ofwel op het oppervlak van een cel zitten, of vrij in het cytoplasma voorkomen. Dankzij de hoge specificiteit van een receptor voor een signaalmolecuul is het mogelijk dat cellen een precieze respons teweegbrengen. De taak van signaalmoleculen is de regulering van vrijwel alle fysiologische processen, zoals stofwisseling, de expressie van genen, embryonale ontwikkeling, immuunresponsen, weefselonderhoud en homeostase.