In quasi tutte le cellule dell'organismo è possibile rilevare dei potenziali elettrici a livello di membrana. Alcune cellule sono eccitabili, ossia in grado di generare impulsi elettrochimici a livello membranario. In altre cellule, il potenziale di membrana, ha importanti compiti di regolazione (es. cellule ghiandolari, macrofagi ecc.). Un potenziale di membrana viene generato in particolari condizioni e quando vi sia una differenza nella concentrazione di ioni attraverso una membrana semipermeabile.
Per misurare il potenziale di riposo della membrana è possibile inserire un microelettrodo all'interno della cellula ed uno al suo esterno, misurandone la differenza. Nel caso, ad esempio, delle cellule del muscolo sartorio di rana, l'elettrodo intracellulare misura un'elettronegatività di circa 90 mV rispetto all'elettrodo esterno. Diremo dunque che, il potenziale di riposo della membrana è 90 mV. Attraverso la membrana è possibile, con l'ausilio di elettrodi, far passare un impulso di corrente, che può essere depolarizzante (se vi è una riduzione della differenza di potenziale es. da –90 a –60) o iperpolarizzante (se vi è un aumento della differenza di potenziale es. da –60 a –90).
Le grosse fibre nervose, quando sono in fase di riposo, hanno un potenziale di membrana di circa –90 millivolt, ossia l'interno della fibra è 90millivolt più negativo rispetto al liquido extracellulare. Per comprendere meglio questi fenomeni sarà utile ripetere brevemente le caratteristiche della pompa sodio-potassio descritta precedentemente. Tutte le membrane cellulari sono provviste di pompa sodio potassio.
Tale pompa trasporta continuamente sodio all'esterno della cellula e potassio al suo interno, in ogni fase 3 ioni sodio vengono espulsi e 2 ioni potassio vengono fatti entrare, generando una carica negativa all'interno della cellula. Tale pompa è in grado di stabilire elevati gradienti di concentrazione fra esterno ed interno della cellula.
Nella membrana sono tuttavia presenti anche delle proteine canale denominate canali passivi sodio-potassio in grado di far transitare passivamente ioni potassio e sodio, senza utilizzo di atp (come per le pompe poc'anzi viste). Tali proteine tendono ad essere fino a cento volte più permeabili al sodio che al potassio.
Il potenziale di riposo della membrana origina per una serie di fattori: