一層薄薄的脂質雙層膜將神經元內部與細胞外液分隔開來。由於膜兩側的離子濃度不同，且該膜具有選擇透過性，因此存在電壓差。這種電壓差就是膜電位。

在靜止狀態下，此電位通常位於-70 mV附近，呈現負值。該值由鉀離子、鈉離子和其他離子的濃度梯度以及開放通道的相對通透性決定。任何通透性的變化或泵浦活性的改變都會改變該電位。去極化和超極化分別表現為該電壓向正或負方向的移動。

所有電訊號傳導——突觸電位、受體電位、動作電位——都包含膜電位的快速、受控變化。利用細胞內電極測量膜電位或利用電壓敏感染料來估算膜電位仍是細胞神經生理學的基礎。

即使是靜止電位的微小持續變化，也能顯著改變迴路的興奮性。