Una gran parte de las acciones mediadas por los receptores NMDA se basa en la regulación del flujo de Ca2+ hacia el interior de la célula. La activación de los receptores NMDA permitiría un rápido influjo de Ca2+, con la consiguiente elevación intracelular de Ca2+, lo cual dispararía una cascada de sistemas de segundos mensajeros que podría producir acciones muy diversas.

Uno de los procesos más estudiados en el que los receptores NMDA parecen juegar un papel clave es la plasticidad sináptica. La maduración de los circuitos nerviosos (establecimiento de conexiones funcionales) durante el desarrollo, y también en el adulto, depende de la activación y consolidación de ciertas sinapsis, mediante mecanismos de plasticidad en el que están involucrados los receptores NMDA. La potenciación a largo plazo (LTP), una forma de plasticidad sináptica que está en la base de los procesos de aprendizaje y memoria, implica la activación de los receptores NMDA. También ha sido demostrado recientemente un papel crucial de los receptores NMDA en los procesos de formación de las memorias, incluida la denominada memoria episódica, un tipo de memoria que nos permite recordar las experiencias vividas, aunque los acontecimientos solamente ocurran una vez. Otros estudios han demostrado un papel del glutamato a través de su unión con receptores NMDA en los procesos de emigración celular.