Tenká lipidová dvojvrstva odděluje vnitřek neuronu od extracelulární tekutiny. Protože se koncentrace iontů na této membráně liší a protože membrána je selektivně propustná, existuje rozdílné napětí. Toto napětí je membránový potenciál.

V klidu se obvykle pohybuje kolem –70 mV, uvnitř záporných hodnot. Hodnota je určena gradienty draslíku, sodíku a dalších iontů spolu s relativní permeabilitou danou otevřenými kanály. Jakákoli změna permeability nebo aktivity pump mění potenciál. Depolarizace a hyperpolarizace jsou jednoduše posuny tohoto napětí v kladném nebo záporném směru.

Veškerá elektrická signalizace – synaptické potenciály, receptorové potenciály, akční potenciály – sestává z rychlých, kontrolovaných změn membránového potenciálu. Jeho měření intracelulárními elektrodami nebo odhad pomocí napěťově citlivých barviv zůstává základem buněčné neurofyziologie.

I malé trvalé změny klidového potenciálu mohou dramaticky změnit excitabilitu nervového okruhu.