Serotonina (5-hydroksytryptamina, 5-HT) – organiczny związek chemiczny z grupy amin biogennych, będący hydroksylową pochodną tryptaminy. W układzie nerwowym pełni funkcję neuroprzekaźnika i neuromodulatora, a poza nim działa jako cząsteczka sygnałowa w licznych tkankach. Uczestniczy m.in. w regulacji czynności przewodu pokarmowego, hemostazy i układu krążenia, a w ośrodkowym układzie nerwowym moduluje liczne procesy fizjologiczne i behawioralne.
Większość serotoniny organizmu znajduje się poza ośrodkowym układem nerwowym, a jej głównym źródłem obwodowym są komórki enterochromafinowe przewodu pokarmowego. Serotonina obwodowa nie przenika w istotnym stopniu przez barierę krew–mózg, dlatego jej ośrodkowa i obwodowa pula są w dużym stopniu od siebie oddzielone.
W mózgu ciała komórek większości neuronów serotoninergicznych znajdują się w jądrach szwu pnia mózgu, skąd tworzą rozległe projekcje do innych struktur ośrodkowego układu nerwowego. Poszczególne populacje neuronów serotoninergicznych różnią się jednak właściwościami molekularnymi, elektrofizjologicznymi i połączeniami, dlatego działania serotoniny w mózgu nie można sprowadzić do jednego efektu fizjologicznego lub psychicznego.