Uma fina bicamada lipídica separa o interior de um neurónio do fluido extracelular. Como as concentrações iónicas diferem através desta membrana e como a membrana é seletivamente permeável, existe uma diferença de voltagem. Esta voltagem é o potencial de membrana.

Em repouso, o potencial de membrana situa-se normalmente próximo dos -70 mV, dentro do espectro negativo. Este valor é determinado pelos gradientes de potássio, sódio e outros iões, juntamente com as permeabilidades relativas definidas pelos canais iónicos abertos. Qualquer alteração na permeabilidade ou na atividade das bombas altera o potencial. A despolarização e a hiperpolarização são simplesmente deslocamentos deste potencial no sentido positivo ou negativo.

Toda a sinalização elétrica — potenciais sinápticos, potenciais recetores, potenciais de ação — consiste em alterações rápidas e controladas do potencial de membrana. Medir este potencial com elétrodos intracelulares ou estimá-lo com corantes sensíveis à voltagem continua a ser fundamental para a neurofisiologia celular.

Mesmo pequenas alterações sustentadas no potencial de repouso podem alterar drasticamente a excitabilidade de um circuito.