神経細胞の内部と細胞外液は、薄い脂質二重層によって隔てられている。この膜を挟んでイオン濃度が異なり、また膜が選択透過性であるため、電位差が生じる。この電位差を膜電位という。

静止状態では、電位は通常-70mV付近、つまり負の電位内に収まります。この値は、カリウムイオン、ナトリウムイオン、その他のイオンの濃度勾配と、開いているチャネルによって決まる相対的な透過性によって決定されます。透過性の変化やポンプの活性の変化は、電位を変化させます。脱分極と過分極は、この電位が正または負の方向にシフトすることに他なりません。

シナプス電位、受容体電位、活動電位など、すべての電気信号伝達は、膜電位の急速かつ制御された変化によって構成される。細胞内電極を用いて膜電位を測定したり、電圧感受性色素を用いて膜電位を推定したりすることは、細胞神経生理学において依然として基礎的な手法である。

静止電位のわずかな持続的な変化でさえ、回路の興奮性を劇的に変化させる可能性がある。