Et tyndt lipiddobbeltlag adskiller det indre af en neuron fra den ekstracellulære væske. Fordi ionkoncentrationerne varierer på tværs af denne membran, og fordi membranen er selektivt permeabel, eksisterer der en spændingsforskel. Denne spænding er membranpotentialet.

I hvile ligger den typisk omkring –70 mV, inden for negativ. Værdien bestemmes af gradienterne af kalium, natrium og andre ioner sammen med de relative permeabiliteter, der er sat af åbne kanaler. Enhver ændring i permeabilitet eller i pumpernes aktivitet ændrer potentialet. Depolarisering og hyperpolarisering er simpelthen forskydninger af denne spænding i positiv eller negativ retning.

Al elektrisk signalering – synaptiske potentialer, receptorpotentialer, aktionspotentialer – består af hurtige, kontrollerede ændringer i membranpotentialet. Måling af det med intracellulære elektroder eller estimering af det med spændingsfølsomme farvestoffer er fortsat fundamental for cellulær neurofysiologi.

Selv små vedvarende ændringer i hvilepotentialet kan dramatisk ændre et kredsløbs excitabilitet.