En la mayoría de las neuronas las vesículas sinápticas son los organelos donde se almacenan los neurotransmisores gracias a lo cual, además, estas moléculas quedan protegidas contra la destrucción enzimática. También, juegan un papel fundamental en el proceso de liberación del neurotransmisor por exocitosis. Se han descrito dos tipos de vesículas: las pequeñas de un diámetro de alrrededor de 50 nm y las grandes que tienen entre 70 a 200 nm de diámetro.

Las vesículas se forman en el soma neuronal desde donde son transportadas hasta los terminales nerviosos. Después de participar en el proceso de liberación del neurotransmisor las vesículas pueden ser reusadas gracias al proceso de reciclaje de membranas que maneja la neurona.

En vesículas sinápticas purificadas ha sido posible conocer su composición química. Además del neurotransmisor, que las define específicamente, ellas también almacenan otras moléculas que parecen co-participar en el proceso de la neurotransmisión química, aunque no siempre este aclarado su papel funcional. Así, en las vesículas noradrenérgicas se encuentran moléculas como el ATP, o proteinas solubles como las cromograninas o enzimas como la dopamina b-hidroxilasa, que cataliza la formación de noradrenalina a partir de la dopamina.

La concentración del neurotransmisor en el interior de la vesícula es muy alta. Ello se explica porque existe un sistema de almacenamiento para el neurotransmisor y porque, además, en la membrana de la vesícula existe un sistema de transporte (un transportador acoplado a una gradiente de H⁺ que aporta energía) que permite la incorporación del neurotransmisor contra gradiente de concentración. En la pared de las vesículas existen, entonces, proteinas que son transportadoras y otras que son bombas iónicas.