Ett tunt lipiddubbellager separerar neuronens inre från den extracellulära vätskan. Eftersom jonkoncentrationerna skiljer sig åt över detta membran och eftersom membranet är selektivt permeabelt, finns det en spänningsskillnad. Den spänningen är membranpotentialen.

I vila ligger den vanligtvis nära –70 mV, inom negativt värde. Värdet bestäms av gradienterna av kalium-, natrium- och andra joner tillsammans med de relativa permeabiliteterna som bestäms av öppna kanaler. Varje förändring i permeabilitet eller i pumparnas aktivitet förändrar potentialen. Depolarisering och hyperpolarisering är helt enkelt förskjutningar av denna spänning i positiv eller negativ riktning.

All elektrisk signalering – synaptiska potentialer, receptorpotentialer, aktionspotentialer – består av snabba, kontrollerade förändringar i membranpotentialen. Att mäta den med intracellulära elektroder eller uppskatta den med spänningskänsliga färgämnen är fortfarande grundläggande för cellulär neurofysiologi.

Även små ihållande förändringar i vilopotentialen kan dramatiskt förändra en krets excitabilitet.