In condizioni fisiologiche, NO interviene anche nella vasodilatazione indotta da stimoli vari. La stimolazione flusso-indotta dell'endotelio causa vasodilatazione e anche la stimolazione con acetilcolina (ACh) induce vasodilatazione endotelio-dipendente nelle arterie umane precontratte con noradrenalina (la vasodilatazione è invece modesta o assente nelle vene). Nel caso dell'Ach, la vasodilatazione delle arterie è dovuta alla stimolazione dei recettori M1 e M3 dell'ACh esposti sulla superficie endoteliale. Al contrario, in presenza di disfunzione endoteliale la vasodilatazione indotta da questi stimoli risulta compromessa, anzi l'Ach causa una vasocostrizione paradossa. La vasocostrizione paradossa da ACh che compare nelle arterie disfunzionali o de-endotelizzate è conseguente all'attivazione diretta dei recettori M3 per ACh localizzati alla superficie delle cellule muscolari lisce.