Lorsqu'un neurone n'émet pas de signal actif, sa membrane maintient une différence de potentiel stable, généralement autour de –70 mV, l'intérieur étant négatif par rapport à l'extérieur. Ce potentiel de repos constitue le point de départ de toute signalisation électrique.

Elle résulte de la répartition inégale des ions (forte concentration de potassium à l'intérieur, forte concentration de sodium à l'extérieur) et de la perméabilité accrue de la membrane au potassium au repos. La pompe sodium-potassium consomme continuellement de l'énergie pour maintenir ces gradients et empêcher les fuites. Le potentiel de repos étant proche du potentiel d'équilibre du potassium, de faibles variations de la conductance potassique l'influencent fortement.

Le potentiel de repos détermine la force motrice exercée sur les ions et la distance jusqu'au seuil d'excitation. Les facteurs qui le modifient — variations de la concentration extracellulaire de potassium, de l'activité des pompes ou des conductances de fond — peuvent accroître ou diminuer l'excitabilité et sont impliqués dans des pathologies allant de la paralysie périodique hyperkaliémique à la dépression corticale envahissante. La mesure du potentiel de repos est une étape fondamentale de toute étude intracellulaire de la fonction neuronale.

Même au « repos », la membrane est un équilibre dynamique maintenu par un flux continu d'ions et un transport actif.