Cienka dwuwarstwa lipidowa oddziela wnętrze neuronu od płynu zewnątrzkomórkowego. Ponieważ stężenia jonów na tej błonie są różne i błona jest selektywnie przepuszczalna, występuje różnica potencjałów. To napięcie to potencjał błonowy.

W stanie spoczynku napięcie zazwyczaj oscyluje w okolicach –70 mV, w obszarze ujemnym. Wartość ta jest określana przez gradienty jonów potasu, sodu i innych, a także przez względne przepuszczalności wyznaczone przez kanały otwarte. Każda zmiana przepuszczalności lub aktywności pomp zmienia potencjał. Depolaryzacja i hiperpolaryzacja to po prostu przesunięcia tego napięcia w kierunku dodatnim lub ujemnym.

Cała sygnalizacja elektryczna – potencjały synaptyczne, potencjały receptorowe, potencjały czynnościowe – składa się z szybkich, kontrolowanych zmian potencjału błonowego. Jego pomiar za pomocą elektrod wewnątrzkomórkowych lub szacowanie za pomocą barwników wrażliwych na napięcie pozostaje fundamentalne dla neurofizjologii komórkowej.

Nawet niewielkie, długotrwałe zmiany potencjału spoczynkowego mogą drastycznie zmienić pobudliwość obwodu.