Una fina bicapa lipídica separa el interior de la neurona del líquido extracelular. Debido a que las concentraciones de iones difieren a través de esta membrana y a que esta es selectivamente permeable, existe una diferencia de potencial eléctrico. Este potencial es el potencial de membrana.

En reposo, suele situarse cerca de –70 mV, dentro del rango negativo. Su valor está determinado por los gradientes de potasio, sodio y otros iones, junto con las permeabilidades relativas establecidas por los canales abiertos. Cualquier cambio en la permeabilidad o en la actividad de las bombas altera el potencial. La despolarización y la hiperpolarización son simplemente desplazamientos de este voltaje en dirección positiva o negativa.

Toda la señalización eléctrica —potenciales sinápticos, potenciales receptores, potenciales de acción— consiste en cambios rápidos y controlados del potencial de membrana. Medirlo con electrodos intracelulares o estimarlo con colorantes sensibles al voltaje sigue siendo fundamental para la neurofisiología celular.

Incluso pequeños cambios sostenidos en el potencial de reposo pueden alterar drásticamente la excitabilidad de un circuito.