Un strat bistrat lipidic subțire separă interiorul unui neuron de fluidul extracelular. Deoarece concentrațiile de ioni diferă de-a lungul acestei membrane și deoarece membrana este selectiv permeabilă, există o diferență de tensiune. Această tensiune este potențialul membranei.

În repaus, se situează de obicei în jurul valorii de –70 mV, în interiorul negativului. Valoarea este determinată de gradienții de potasiu, sodiu și alți ioni, împreună cu permeabilitățile relative stabilite de canalele deschise. Orice modificare a permeabilității sau a activității pompelor modifică potențialul. Depolarizarea și hiperpolarizarea sunt pur și simplu deplasări ale acestei tensiuni în direcția pozitivă sau negativă.

Toate semnalizările electrice - potențialele sinaptice, potențialele receptorilor, potențialele de acțiune - constau în modificări rapide și controlate ale potențialului membranei. Măsurarea acestuia cu electrozi intracelulari sau estimarea lui cu coloranți sensibili la voltaj rămâne fundamentală pentru neurofiziologia celulară.

Chiar și mici modificări susținute ale potențialului de repaus pot modifica dramatic excitabilitatea unui circuit.