Une fine bicouche lipidique sépare l'intérieur d'un neurone du liquide extracellulaire. Les concentrations ioniques étant différentes de part et d'autre de cette membrane, et celle-ci étant sélectivement perméable, il existe une différence de potentiel : le potentiel de membrane.

Au repos, le potentiel de membrane se situe généralement aux alentours de –70 mV, soit dans le sens négatif. Sa valeur est déterminée par les gradients de potassium, de sodium et d'autres ions, ainsi que par les perméabilités relatives induites par les canaux ouverts. Toute modification de la perméabilité ou de l'activité des pompes modifie ce potentiel. La dépolarisation et l'hyperpolarisation correspondent simplement à des variations de ce potentiel dans le sens positif ou négatif.

Toute signalisation électrique — potentiels synaptiques, potentiels de récepteurs, potentiels d'action — consiste en des variations rapides et contrôlées du potentiel membranaire. Sa mesure à l'aide d'électrodes intracellulaires ou son estimation à l'aide de colorants sensibles à la tension demeure fondamentale en neurophysiologie cellulaire.

Même de petites variations prolongées du potentiel de repos peuvent modifier considérablement l'excitabilité d'un circuit.