La maggior parte dell'ACh appena sintetizzata viene trasportata all'interno di vescicole citosoliche verso la regione presinaptica del neurone. In questa sede le vescicole sono immagazzinate e fungono da vero e proprio deposito di ACh in attesa del segnale di rilascio. Solo la forma depositata nelle vescicole può svolgere correttamente il ruolo di neurotrasmettitore. Il processo di rilascio dell'Ach dalle vescicole di deposito viene cominciato da un potenziale d'azione trasmesso lungo l'assone fino alla membrana nervosa presinaptica. In questa sede, il potenziale d'azione genera l'apertura dei canali del calcio (detti "voltaggio-dipendenti"). Gli ioni calcio presenti nello spazio sinaptico entrano nella regione presinaptica del neurone, producendo l'uscita di Ach nello spazio sinaptico stesso, attraverso la fusione della membrana delle vescicole con la membrana cellulare del neurone.