La llegada del potencial de acción a la terminal presináptica, provoca la apertura de los canales de calcio regulados por voltaje, por lo que se genera un aumento de la permeabilidad de la membrana presináptica para este ión. Los iones calcio ingresan a la célula desencadenando la liberación del neurotransmisor acetilcolina, contenido en las vesículas sinápticas. La acetilcolina difunde por la hendidura sináptica hasta unirse con receptores ubicados en la membrana postsináptica de la fibra muscular. Este neurotransmisor es el ligando específico de receptores que actúan como canales de sodio. La apertura de los canales genera un ingreso de sodio y una despolarización en la membrana postsináptica. Una vez alcanzado el umbral, se desencadena el potencial de acción el que se propaga por la membrana de la célula muscular.
La acetilcolina es rápidamente degradada en la hendidura sináptica por acción de la enzima acetilcolinesterasa. La colina es reabsorbida por la terminal presináptica y combinada con ácido acético para formar más acetilcolina, la que queda contenida en vesículas sinápticas.