Um potencial de ação é um breve pulso elétrico que se propaga ao longo do axónio de um neurónio. É o sinal fundamental pelo qual as células nervosas comunicam à distância.

Em repouso, o interior do axónio apresenta carga negativa em relação ao exterior. Quando um estímulo despolarizante suficiente chega ao cone de implantação do axónio, os canais de sódio dependentes de voltagem abrem-se, o sódio entra em grande quantidade e o potencial de membrana inverte-se rapidamente. Quase imediatamente, os canais de sódio inativam-se e os canais de potássio abrem-se, restabelecendo a carga negativa no seu interior. Toda a sequência dura cerca de um milésimo de segundo. Como a despolarização num ponto desencadeia a mesma sequência no ponto seguinte, o impulso propaga-se sem perder força até às terminações axonais.

A natureza "tudo ou nada" do potencial de ação significa que estímulos mais fortes não produzem picos maiores; produzem picos mais frequentes. As bainhas de mielina permitem que o impulso salte de nódulo em nódulo, aumentando muito a velocidade. Os anestésicos locais atuam bloqueando os canais de sódio e impedindo assim a formação do potencial de ação.

Cada pensamento, sensação e movimento depende do funcionamento preciso destes minúsculos eventos eletroquímicos.