Hình dạng của điện thế hoạt động điển hình. Điện thế màng ở gần mức cơ sở cho đến một lúc nào đó, nó đột ngột tăng vọt lên và sau đó nhanh chóng giảm xuống.

Gần như tất cả các màng tế bào ở động vật, thực vật và nấm đều duy trì sự chênh lệch điện thế giữa bên ngoài và bên trong tế bào, được gọi là điện thế màng. Một điện thế điển hình trên màng tế bào động vật là −70 mV. Điều này có nghĩa là bên trong của tế bào có điện thế âm so với bên ngoài. Trong hầu hết các loại tế bào, điện thế màng thường không đổi. Tuy nhiên, một số loại tế bào hoạt động bằng điện theo nghĩa là điện thế của chúng dao động theo thời gian. Trong một số loại tế bào hoạt động bằng điện, gồm neuron và tế bào cơ, sự dao động điện thế thường có dạng tăng vọt nhanh chóng sau đó là sự sụt giảm nhanh chóng. Các chu kỳ lên xuống này được gọi là điện thế hoạt động. Trong một số loại neuron, toàn bộ chu kỳ lên xuống diễn ra trong vài phần nghìn giây. Trong tế bào cơ, điện thế hoạt động điển hình kéo dài khoảng một phần năm của một giây. Trong một số loại tế bào khác (cả ở thực vật), điện thế hoạt động có thể kéo dài ba giây trở lên. [cần dẫn nguồn]

Các tính chất điện của tế bào được xác định bởi cấu trúc của màng bao quanh nó. Một màng tế bào bao gồm một lớp lipid kép của các phân tử trong đó các phân tử protein lớn hơn được xuyên vào. Lớp lipid kép có khả năng chặn sự xâm nhập của ion tích điện, vì lớp này mang tính chất cách điện. Ngược lại, các protein xuyên màng lớn tạo các kênh mà qua đó ion có thể chui qua màng. Điện thế hoạt động được điều khiển bởi các protein kênh có cấu hình chuyển đổi giữa trạng thái đóng và mở theo hàm chênh lệch điện thế trong/ngoài của tế bào. Những protein nhạy cảm với điện thế này được gọi là kênh ion điện thế.

Quá trình trong một neuron điển hình

Biểu đồ gần đúng của điện thế hoạt động điển hình cho thấy các pha khác nhau khi điện thế hoạt động xuất hiện trên một điểm ở màng tế bào. Điện thế màng khi nghỉ nằm ở khoảng −70 mV tại thời điểm 0. Một kích thích được áp dụng tại thời điểm = 1 ms, làm tăng điện thế màng trên −55 mV (điện thế ngưỡng). Sau khi kích thích, điện thế màng tăng nhanh đến điện thế cực đại +40 mV tại thời điểm = 2 ms. Rất nhanh chóng, điện thế giảm xuống và vượt quá mức, đạt −90 mV tại thời điểm = 3 ms, và cuối cùng tăng lên −70 mV, thiết lâp điện thế nghỉ tại thời điểm = 5 ms.

Tất cả tế bào trong các mô cơ thể động vật đều bị phân cực - nói cách khác, chúng duy trì sự chênh lệch điện thế trên màng sinh chất của tế bào, được gọi là điện thế màng. Tính phân cực điện này là kết quả của sự tương tác phức tạp giữa các cấu trúc protein xuyên màng gọi là bơm ion và kênh ion. Trong neuron, các loại kênh ion xuyên màng thường khác nhau giữa các phần của tế bào, tạo ra sợi nhánh, sợi trục và thân tế bào vốn có các tính chất điện hóa khác nhau. Kết quả là, một số phần trên màng của neuron dễ bị kích thích (có khả năng tạo ra điện thế hoạt động), trong khi những phần khác thì không. Những nghiên cứu gần đây [cần dẫn nguồn] chỉ ra rằng phần dễ bị kích thích nhất của neuron là tận cùng sợi trục (điểm mà sợi trục rời khỏi thân tế bào), nhưng hầu hết các trường hợp sợi trục và thân tế bào cũng dễ bị kích thích.

Mỗi tế bào có hai giá trị điện thế màng quan trọng: điện thế nghỉ, là giá trị mà điện thế màng duy trì miễn là không có gì kích thích tế bào và giá trị cao hơn gọi là điện thế ngưỡng. Ở một neuron điển hình, điện thế nghỉ là khoảng –70 millivolts (mV) và điện thế ngưỡng là khoảng –55 mV. Điện thế hoạt động được kích hoạt khi tích lũy đủ điện thế lên đén ngưỡng thì mới xảy ra khử cực. Khi điện thế hoạt động được kích hoạt, điện thế màng đột ngột tăng nhanh rồi giảm nhanh chóng, thường kết thúc dưới mức điện thế nghỉ. Hình dạng của điện thế hoạt động luôn luôn không đổi; có nghĩa là mọi sự tăng giảm đều cùng biên độ và cùng thời gian xảy ra. (Trừ một số ngoại lệ sẽ được đề cập đến sau đây). Ở hầu hết các neuron, toàn bộ quá trình diễn ra khoảng một phần nghìn giây. Nhiều loại neuron phát ra điện thế hoạt động liên tục với tốc độ lên tới 10–100 nhịp mỗi giây. Tuy nhiên, một số loại neuron "yên tĩnh" hơn, trong vài phút (hoặc lâu hơn) không tạo ra điện thế hoạt động.