一层薄薄的脂质双层膜将神经元内部与细胞外液分隔开来。由于膜两侧的离子浓度不同，且该膜具有选择透过性，因此存在电压差。这种电压差就是膜电位。

静息状态下，该电位通常位于-70 mV附近，呈负值。该值由钾离子、钠离子和其他离子的浓度梯度以及开放通道的相对通透性决定。任何通透性的变化或泵活性的改变都会改变该电位。去极化和超极化分别表现为该电压向正或负方向的移动。

所有电信号传导——突触电位、受体电位、动作电位——都包含膜电位的快速、受控变化。利用细胞内电极测量膜电位或利用电压敏感染料估算膜电位仍然是细胞神经生理学的基础。

即使是静息电位的微小持续变化，也能显著改变回路的兴奋性。