Di sebagian besar sel terdapat perbedaan potensial antara media ekstraseluler dan intraseluler, yang dipertahankan oleh membran plasma.
Dalam apa yang disebut sel yang dapat dirangsang, seperti sel otot dan neuron, potensi ini adalah -70 hingga -90 mV. Pada sel yang tidak tereksitasi, potensial membran sekitar -10 hingga -30 mV.
Potensial ini tergantung pada konsentrasi ion natrium, kalium dan klorin dalam media intra dan ekstraseluler dan pada permeabilitas membran terhadap ion-ion ini.
Konsentrasi ion natrium lebih tinggi di lingkungan ekstraseluler, oleh karena itu ion ini cenderung berdifusi secara pasif ke dalam sel, melalui protein membran khusus, yang disebut saluran natrium. Di sisi lain, ion kalium lebih banyak di media intraseluler, sehingga mereka cenderung secara pasif berdifusi keluar sel, melalui saluran kalium. Potensi membran dipertahankan berkat pompa natrium dan kalium, yang merupakan protein membran yang mengeluarkan tiga ion natrium ke lingkungan ekstraseluler pada saat yang sama ketika dua ion kalium memasuki lingkungan intraseluler. Ion klorin tetap dalam keseimbangan dalam sel saat istirahat, berdifusi bebas melalui membran sel sampai mencapai keseimbangan.
Pada neuron dan sel otot, potensial membran adalah potensial istirahat. Jenis sel ini dapat memvariasikan potensial membrannya, menuju potensial aksi, yang mampu ditransmisikan sepanjang membran, untuk mentransmisikan impuls saraf atau kontraksi serat otot.
Ion natrium dan kalium bertanggung jawab atas perubahan potensial istirahat, menuju potensial aksi di neuron.
Apa yang terjadi dalam potensial aksi neuron adalah depolarisasi transien membran. Ketika stimulus tertentu mencapai sel (mungkin pengikatan neurotransmiter), saluran natrium gerbang tegangan mulai terbuka, yang bukan saluran melalui mana natrium mengalir secara pasif. Saat saluran ini terbuka, ion natrium mulai memasuki bagian dalam sel dan potensial membran mulai menurun. Ketika menurun ke nilai tertentu, yang disebut nilai ambang, saluran natrium gerbang tegangan terbuka secara besar-besaran, membawa potensial membran ke + 50mV. Potensi keseimbangan natrium akan menjadi sekitar +55 mV, tetapi potensial aksi tidak mencapai tingkat ini karena kalium yang terus meninggalkan sel.
Membran kemudian melakukan repolarisasi, kembali ke potensial istirahatnya, berkat pembukaan saluran kalium berpintu tegangan, yang terbuka dengan penundaan tertentu, dan karena inaktivasi saluran natrium. Pompa natrium-kalium segera menyusun kembali potensial membran istirahat.
Jika potensial tidak mencapai ambang batas, masukan natrium tidak dapat melawan keluaran kalium, sehingga perubahan kecil pada potensial menghilang.