Las células neurosecretoras magnocelulares son grandes células neuroendocrinas dentro del núcleo supraóptico y del núcleo paraventricular del hipotálamo. También se encuentran en menor número en grupos de células accesorias entre estos dos núcleos, siendo el más grande el núcleo circular. Hay dos tipos de células neurosecretoras magnocelulares, las productoras de oxitocina y las productoras de vasopresina, pero un pequeño número puede producir ambas hormonas. Estas células son neuronas neuroendocrinas, son eléctricamente excitables y generan potenciales de acción en respuesta a la estimulación aferente.
Las células neurosecretoras magnocelulares de las ratas (donde estas neuronas han sido estudiadas más extensamente) tienen en general un único y largo axón varicoso, que se proyecta hacia la hipófisis posterior. Cada axón da lugar a unas 10.000 terminales neurosecretoras y a muchas hinchazones axónicas que almacenan un gran número de vesículas que contienen hormonas. Estas vesículas se liberan de los hinchazones axónicos y de los terminales nerviosos por exocitosis en respuesta a la entrada de calcio a través de los canales iónicos activados por voltaje, que se produce cuando los potenciales de acción se propagan por los axones.
Las células suelen tener dos o tres dendritas largas, que también contienen grandes dilataciones y una densidad muy alta de vesículas que contienen hormonas. La oxitocina y la vasopresina pueden, por tanto, ser liberadas dentro del cerebro desde estas dendritas, así como en la sangre desde las terminales de la glándula pituitaria posterior. Sin embargo, la liberación de oxitocina y vasopresina desde las dendritas no va acompañada sistemáticamente de una secreción periférica, ya que la liberación dendrítica se regula de forma diferente. La liberación dendrítica puede ser desencadenada por la despolarización, pero también puede serlo por la movilización de las reservas de calcio intracelular. Las dendritas reciben la mayor parte de las entradas sinápticas de las neuronas aferentes que regulan las neuronas magnocelulares; normalmente una neurona magnocelular recibe unas 10.000 sinapsis de las neuronas aferentes.