I restanti 4 TLR, TLR3, TLR7, TLR8 e TLR9 sono invece recettori presenti nelle membrane intracellulari, come reticolo endoplasmatico ed endosomi. Il loro principale ruolo è il riconoscimento di ligandi formati da acidi nucleici tipici dei microbi: RNA a doppia catena riconosciuti dal TLR3, CpG non metilate e DNA a singola o doppia elica dal TLR9, RNA a singola catena per i TLR7 e TLR8. Sebbene l'RNA a singola catena e il DNA a doppia catena siano presenti anche nelle cellule eucariotiche, i Toll-Like Receptors sono in grado di distinguere fra self e non self in base alla posizione di tali molecole: gli acidi nucleici dell'organismo non sono mai presenti negli endosomi se non in casi di cellule danneggiate che possono comunque portare a pericolo per il tessuto.