当肌肉收缩时，细丝和粗丝之间的重叠增加，减少了肌节的长度 – 肌肉的收缩单位 – 使用ATP形式的能量。在分子水平上，这是一个循环的多步骤过程，涉及ATP的结合和水解，以及肌球蛋白的肌动蛋白运动。
当附着在肌球蛋白头部的ATP水解成ADP时，肌球蛋白进入与肌动蛋白结合的高能状态，形成一个跨桥。当ADP释放时，肌球蛋白的头部进入低能状态，肌动蛋白向肌节中心移动。一种新的ATP分子的结合使肌球蛋白和肌动蛋白分离。当这种ATP被水解时，肌球蛋白的头部将与肌动蛋白结合，这一次肌动蛋白的一部分更接近肌节的末端。调节蛋白肌钙蛋白和肌钙蛋白，以及钙，共同控制肌球蛋白-肌动蛋白的相互作用。当肌钙蛋白与钙结合时，肌钙蛋白被移离肌动蛋白上的肌球蛋白结合位点，从而使肌球蛋白和肌动蛋白相互作用并发生肌肉收缩。
钙作为肌肉收缩的调节因子，在肌肉纤维中的浓度受到非常密切的控制。肌肉纤维与运动神经元密切接触。运动神经元的动作电位引起肌肉纤维附近神经递质乙酰胆碱的释放。这会在肌肉细胞中产生一种动作电位（去极化），这种电位沿着质膜并通过称为横管或T管的质膜内陷而传递。
T-小管深入肌肉，与称为肌浆网或SR的专门内质网细胞器相邻。当电压门控离子通道（根据局部电荷打开和关闭的离子通道）因去极化而打开时，SR内的钙被释放，允许钙离子进入细胞质，肌肉收缩。
当运动神经元发出的信号停止时，肌肉的松弛开始于钙被泵回到SR中，从而降低了钙的细胞质水平，补充了SR中的钙储备，为下一次收缩做准备。
健康的肌肉可以收缩，但患病的肌肉往往会失去这种能力。像重症肌无力这样的疾病会阻止肌肉运动神经元的刺激，从而导致肌肉萎缩和肌肉质量下降。肌萎缩性侧索硬化症（ALS或Lou Gehrig病）导致运动神经元退化，同样导致肌肉退化和萎缩。
