Een dunne lipidenlaag scheidt het binnenste van een neuron van de extracellulaire vloeistof. Omdat de ionenconcentraties aan weerszijden van dit membraan verschillen en omdat het membraan selectief permeabel is, bestaat er een spanningsverschil. Deze spanning is de membraanpotentiaal.

In rusttoestand ligt de potentiaal doorgaans rond de -70 mV, in het negatieve bereik. De waarde wordt bepaald door de gradiënten van kalium, natrium en andere ionen, samen met de relatieve permeabiliteit die wordt bepaald door open kanalen. Elke verandering in permeabiliteit of in de activiteit van pompen verandert de potentiaal. Depolarisatie en hyperpolarisatie zijn simpelweg verschuivingen van deze spanning in respectievelijk de positieve of negatieve richting.

Alle elektrische signalering – synaptische potentialen, receptorpotentialen, actiepotentialen – bestaat uit snelle, gecontroleerde veranderingen in het membraanpotentiaal. Het meten ervan met intracellulaire elektroden of het schatten ervan met spanningsgevoelige kleurstoffen blijft fundamenteel voor de cellulaire neurofysiologie.

Zelfs kleine, aanhoudende verschuivingen in de rustpotentiaal kunnen de prikkelbaarheid van een circuit drastisch veranderen.