Eine dünne Lipiddoppelschicht trennt das Innere eines Neurons von der extrazellulären Flüssigkeit. Da sich die Ionenkonzentrationen über diese Membran hinweg unterscheiden und die Membran selektiv permeabel ist, besteht eine Spannungsdifferenz. Diese Spannung ist das Membranpotenzial.

Im Ruhezustand liegt das Membranpotential typischerweise bei etwa –70 mV, also im negativen Bereich. Der Wert wird durch die Konzentrationsgradienten von Kalium, Natrium und anderen Ionen sowie durch die relative Permeabilität offener Kanäle bestimmt. Jede Änderung der Permeabilität oder der Pumpaktivität verändert das Membranpotential. Depolarisation und Hyperpolarisation sind Verschiebungen dieses Potentials in positive bzw. negative Richtung.

Alle elektrischen Signalwege – synaptische Potenziale, Rezeptorpotenziale, Aktionspotenziale – bestehen aus schnellen, kontrollierten Veränderungen des Membranpotenzials. Dessen Messung mit intrazellulären Elektroden oder dessen Abschätzung mit spannungssensitiven Farbstoffen ist nach wie vor grundlegend für die zelluläre Neurophysiologie.

Selbst kleine, anhaltende Veränderungen des Ruhepotentials können die Erregbarkeit eines Schaltkreises dramatisch verändern.