Células neurosecretoras magnocelulares são grandes células neuroendócrinas dentro do núcleo supraótico e do núcleo paraventricular do hipotálamo. Elas também são encontradas em menor número em grupos de células acessórias entre esses dois núcleos, sendo o maior deles o núcleo circularis. Existem dois tipos de células neurosecretoras magnocelulares, células produtoras de oxitocina e células produtoras de vasopressina, mas um pequeno número pode produzir ambos os hormônios. Estas células são neurônios neuroendócrinos, são eletricamente excitáveis, e geram potenciais de ação em resposta à estimulação aferente.
Células neurosecretoras magnocelulares em ratos (onde estes neurônios têm sido mais extensivamente estudados) em geral têm um único e longo axônio varicoso, que se projeta para a pituitária posterior. Cada axônio dá origem a cerca de 10.000 terminais neurosecretóricos e muitos inchaços de axônios que armazenam um número muito grande de vesículas contendo hormônios. Essas vesículas são liberadas dos inchaços dos axônios e terminais nervosos por exocitose em resposta à entrada de cálcio através de canais iônicos de tensão, o que ocorre quando os potenciais de ação são propagados pelos axônios.
As células tipicamente têm dois ou três dendritos longos, que também contêm grandes dilatações e uma densidade muito alta de vesículas contendo hormônios. A oxitocina e a vasopressina podem, assim, ser liberadas dentro do cérebro a partir destes dendritos, bem como no sangue a partir dos terminais da glândula pituitária posterior. Entretanto, a liberação de oxitocina e vasopressina a partir dos dendritos não é acompanhada consistentemente pela secreção periférica, já que a liberação dendrítica é regulada de forma diferente. A libertação dendrítica pode ser desencadeada pela despolarização, mas também pode ser desencadeada pela mobilização de reservas intracelulares de cálcio. Os dendritos recebem a maioria das entradas sinápticas de neurônios aferentes que regulam os neurônios magnocelulares; tipicamente um neurônio magnocelular recebe cerca de 10.000 sinapses de neurônios aferentes.