Có nhiều cách phân loại chất dẫn truyền thần kinh. Cách phân loại phổ biến là chia ra làm các axit amin, các peptide, và các monoamin.Các nhóm lớn của chất dẫn truyền thần kinh:

• Các axit amin: glutamat,[3] aspartat, D-serin, axit gamma-aminobutyric (GABA), glycin
• Các monoamin và các amin sinh học khác: dopamin (DA), norepinephrin (noradrenalin; NE, NA), epinephrin (adrenalin), histamin, serotonin (SE, 5-HT)
• Các peptid: somatostatin, chất P, các peptid opioid
• Các chất khác: acetylcholin (ACh), adenosin, anandamid, nitric oxid, v.v

Ngoài ra, trên 50 peptid có hoạt tính thần kinh đã được phát hiện, và số lượng trên vẫn còn tiếp tục tăng. Trong đó nhiều chất được giải phóng đồng thời với một chất dẫn truyền tiểu phân tử, nhưng trong phân lớn các trường hợp, peptid mới là chất dẫn truyền chính tại xi-náp. Beta-endorphin là một chất dẫn truyền thần kinh đặc trưng, nó tham gia vào các phản ứng có tính đặc hiệu cao với các thụ thể opioid trong hệ thần kinh trung ương.

Các ion đơn nguyên tử, như kẽm được giải phóng từ xi-náp, đôi khi cũng được xem là chất dẫn truyền thần kinh,[6] cũng giống như các phân tử khí như nitric oxid (NO), hydro sulfur (H2S), và carbon monoxid (CO).[7] Các chất trên không phải là các chất dẫn truyền thần kinh nếu được xem xét khắt khe dựa trên định nghĩa, do chúng được chứng minh trong thực nghiệm là được giải phóng từ đầu tận cùng sợi trục một cách chủ động, nhưng chúng không được đóng gói trong các túi. Chất dẫn truyền phổ biến nhất là glutamat, là một chất kích thích tại hơn 90% các xi-náp trong bộ não người.[3] Đứng thứ hai là GABA, là chất ức chế tại hơn 90% các xi-náp không dùng glutamat làm chất dẫn truyền. Mặc dù các chất dẫn truyền khác có mặt tại các xi-náp ít hơn, chúng có thể co chức năng rất quan trọng—phần lớn các thuốc có tác đông đến tâm thần (psychoactive drug) phát huy tác dụng bằng cách thay đổi các hoạt động của một vài hệ thống các chất dẫn truyền thần kinh, thường là tác động qua các chất dẫn truyền khác glutamat và GABA. Các thuốc gây nghiện (additive drug) như cocain và amphetamin phát huy tác dụng của chúng chủ yếu lên hệ dopamin. Các thuốc gây nghiện họ opiate phát huy tác dụng của chúng tương tự như các peptid opioid, tức là tham gia điều hòa lượng dopamin.

Chất kích thích và chất ức chế

Một chất dẫn truyền thần kinh có tác dụng trực tiếp duy nhất là kích hoạt một hoặc nhiều loại thụ thể. Tác dụng này lên tế bào sau xi-náp phần lớn phụ thuộc vào loại thụ thể chịu tác dụng. Các thụ thể quan trọng nhất của một số chất dẫn truyền thần kinh (như glutamat) chỉ có tác dụng kích thích, làm tăng khả năng làm cho tế bào đích phát ra một điện thế hoạt động. Các thụ thể quan trọng nhất của các chất dẫn truyền thần kinh khác (như GABA) chỉ có tác dụng ức chế (mặc dù có bằng chứng cho thấy GABA có tác dụng kích thích trong giai đoạn phát triển sớm của não). Các chất dẫn truyền thần kinh khác, như acetylcholin, vừa có thụ thể kích thích vừa có thụ thể ức chế; và có một số loại thụ thể gây ra các tác động lên tế bào sau xi-náp để hoạt hóa các con đường chuyển hóa phức tạp mà không rõ có tác động kích thích hay ức chế. Do đó, việc phân loại một chất dẫn truyền thần kinh là kích thích hay ức chế thì quá đơn giản—tuy nhiên lại thuận tiện khi nói rằng glutamat có tác dụng kích thích còn GABA có tác dụng ức chế, nên cách phân loại này rất hay được sử dụng.