Un potentiel d'action est une brève impulsion électrique qui se propage le long de l'axone d'un neurone. C'est le signal fondamental par lequel les cellules nerveuses communiquent à distance.

Au repos, l'intérieur de l'axone est chargé négativement par rapport à l'extérieur. Lorsqu'un stimulus dépolarisant suffisant atteint le cône d'émergence, les canaux sodiques voltage-dépendants s'ouvrent, le sodium pénètre massivement et le potentiel membranaire s'inverse rapidement. Presque instantanément, les canaux sodiques se ferment et les canaux potassiques s'ouvrent, rétablissant la charge négative à l'intérieur de l'axone. Cette séquence dure environ une milliseconde. La dépolarisation en un point déclenchant la même séquence au point suivant, l'influx nerveux se propage sans perte d'intensité jusqu'aux terminaisons axonales.

Le caractère binaire du potentiel d'action implique que des stimuli plus intenses ne produisent pas des pics d'amplitude plus importante, mais des pics plus fréquents. Les gaines de myéline permettent à l'influx nerveux de se propager de nœud en nœud, augmentant considérablement sa vitesse. Les anesthésiques locaux agissent en bloquant les canaux sodiques et en empêchant ainsi la formation du potentiel d'action.

Chaque pensée, sensation et mouvement dépend du déclenchement fiable de ces minuscules événements électrochimiques.