पशु शरीर के ऊतकों में सभी कोशिकाएं विद्युतीय रूप से ध्रुवीय होती हैं - दूसरे शब्दों में, वे कोशिका की प्लाज्मा झिल्ली के चारों ओर एक वोल्टेज भिन्नता बनाए रखती हैं, जिसे झिल्ली क्षमता (मेम्ब्रेन पोटेंशिअल) के रूप में जाना जाता है। यह विद्युतीय ध्रुवीकरण, आयन पम्प नामक झिल्ली में सन्निहित प्रोटीन संरचनाओं और आयन चैनल के बीच जटिल परस्पर क्रिया से फलित होता है। न्यूरॉन्स में, झिल्ली में आयन चैनलों के प्रकार आमतौर पर, कोशिका के विभिन्न भागों में अलग-अलग होते हैं, जो डेन्ड्राईट, अक्षतंतु और कोशिका शरीर को विभिन्न विद्युतीय गुण प्रदान करते हैं। एक परिणाम के रूप में, न्यूरॉन के झिल्ली के कुछ भाग उत्तेजनीय (ऐक्शन पोटेंशिअल पैदा करने में सक्षम) हो सकते हैं, जबकि अन्य नहीं होते हैं। न्यूरॉन का सबसे उत्तेजनीय हिस्सा आमतौर पर अक्षतंतु पहाड़ी है (बिंदु जहां अक्षतंतु कोशिका शरीर को छोड़ देता है), लेकिन अक्षतंतु और कोशिका शरीर भी अधिकांश मामलों में उत्तेजनीय होते हैं।

झिल्ली के प्रत्येक उत्तेजनीय पैच में झिल्ली क्षमता का दो महत्वपूर्ण स्तर होता है: विश्राम क्षमता, जो वह मान है जिसे झिल्ली क्षमता तब तक बनाए रखती है जब तक कोशिका को कोई चीज़ परेशान नहीं करती और एक उच्च मान जो आरंभिक क्षमता कहलाता है। एक विशिष्ट न्यूरॉन के अक्षतंतु पहाड़ी पर, विश्राम क्षमता -70 मिलीवोल्ट (mV) के आसपास होती है और आरंभिक क्षमता -55 mV के आसपास होती है। एक न्यूरॉन में सिनेप्टिक इनपुट के कारण झिल्ली विध्रुवीय या अति-ध्रुवीय हो जाती है; अर्थात वे झिल्ली क्षमता को बढ़ने या घटने के लिए प्रेरित करते हैं। ऐक्शन पोटेंशिअल तब चालू होता है जब झिल्ली क्षमता को सीमा तक लाने के लिए पर्याप्त विध्रुवण जमा हो जाता है। जब एक ऐक्शन पोटेंशिअल चालु होता है, तब झिल्ली क्षमता अचानक ऊपर की ओर उठती है, जो अक्सर +100 mV तक पहुंचती है और फिर समान रूप से अचानक वापस नीचे गिरती है, जो अक्सर विश्राम स्तर से नीचे समाप्त होती है, जहां यह कुछ समय के लिए रहती है। ऐक्शन पोटेंशिअल का आकार रूढ़िबद्ध है; अर्थात, एक दी गई कोशिका में सभी ऐक्शन पोटेंशिअल के लिए वृद्धि और गिरावट का आयाम और समयावधि, आमतौर पर लगभग समान होती है। (अपवादों की चर्चा आलेख में आगे की गई है।) अधिकांश न्यूरॉन्स में, पूरी प्रक्रिया एक सेकेण्ड के हजारवें भाग में घटती है। न्यूरॉन्स के कई रूप, प्रति सेकंड 10-100 तक की दरों से लगातार ऐक्शन पोटेंशिअल उत्सर्जित करते रहते हैं; कुछ प्रकार, हालांकि शांत होते हैं और बिना किसी ऐक्शन पोटेंशिअल के उत्सर्जन के एक मिनट या ज्यादा समय तक चल सकते हैं।

जैव-भौतिक स्तर पर, ऐक्शन पोटेंशिअल, विशेष प्रकार के वोल्टेज-गेटेड आयन चैनल से परिणामित होते हैं। झिल्ली क्षमता के बढ़ने के साथ, सोडियम आयन चैनल खुलता है, जो सोडियम आयनों को कोशिका में प्रविष्टि की अनुमति देता है। इसके बाद पोटेशियम आयन चैनल खुलते हैं जो कोशिका से पोटेशियम आयनों को बाहर निकलने की अनुमति देते हैं। सोडियम आयनों का अन्दर की ओर प्रवाह, कोशिका में धनात्मक रूप से चार्ज धनायन के संकेन्द्रण को बढ़ा देता है और विध्रुवण को प्रेरित करता है, जहां कोशिका की क्षमता, कोशिका की विश्राम क्षमता से अधिक होती है। सोडियम चैनल, ऐक्शन पोटेंशिअल के चरम पर बंद हो जाते हैं, जबकि पोटेशियम का कोशिका को छोड़ना जारी रहता है। पोटेशियम आयनों की समाप्ति, झिल्ली क्षमता को कम कर देती है या कोशिका को अति-ध्रुवीय कर देती है। विश्राम से अल्प वोल्टेज वृद्धि के लिए, पोटेशियम धारा, सोडियम धारा से अधिक हो जाती है और वोल्टेज अपने सामान्य विश्राम मान पर लौट आता है, आमतौर पर -70 mV. हालांकि, अगर वोल्टेज एक महत्वपूर्ण सीमा से आगे बढ़ जाता है, आम तौर पर विश्राम मान से 15 mV अधिक, तो सोडियम धारा हावी हो जाती है। यह एक सहज स्थिति को फलित करता है जहां सोडियम धारा से आने वाली धनात्मक प्रतिक्रिया और अधिक सोडियम चैनल को सक्रिय करती है। इस प्रकार, वह कोशिका एक ऐक्शन पोटेंशिअल को उत्पन्न करते हुए "फायर" करती है।

एक ऐक्शन पोटेंशिअल के क्रम में वोल्टेज-गेटेड चैनल के खुलने से उत्पादित होने वाली धाराएं आम तौर पर महत्वपूर्ण रूप से प्रारंभिक उत्तेजक धाराओं से बड़ी होती हैं। इस प्रकार आयाम, अवधि और ऐक्शन पोटेंशिअल का आकार काफी हद तक उत्तेजनीय झिल्ली के गुण द्वारा निर्धारित होते हैं और न कि उत्तेजना के आयाम या अवधि द्वारा. ऐक्शन पोटेंशिअल का यह ऑल-और-नथिंग गुण उसे सेट इसे क्रमिक क्षमता से अलग करता है जैसे रिसेप्टर क्षमता, इलेक्ट्रोटोनिक क्षमता और सिनेप्टिक क्षमता, जो उत्तेजना की तीव्रता के साथ बढ़ती है। विभिन्न कोशिका प्रकार और कोशिका खानों में ऐक्शन पोटेंशिअल के नाना प्रकार मौजूद होते हैं, जो वोल्टेज-गेटेड चैनलों के प्रकार, रिसाव चैनल, चैनल वितरण, आयन संकेन्द्रण, झिल्ली संधारित्र, तापमान और अन्य कारकों द्वारा निर्धारित होते हैं।

ऐक्शन पोटेंशिअल में शामिल मुख्य आयन हैं सोडियम और पोटेशियम धनायन; सोडियम आयन कोशिका में प्रवेश करते हैं और पोटेशियम आयन बाहर निकल जाते हैं और संतुलन बना रहता है। मेम्ब्रेन वोल्टेज के तीव्र बदलाव के लिए, अपेक्षाकृत कुछ आयनों को झिल्ली को पार करने की जरूरत होती है। एक ऐक्शन पोटेंशिअल के दौरान विनिमय हुए आयन, इसलिए, आंतरिक और बाह्य आयन संकेन्द्रण में एक नगण्य बदलाव करते हैं। कुछ आयन, जो वास्तव में पार कर जाते हैं वे सोडियम-पोटेशियम पंप की निरंतर क्रिया द्वारा बाहर फेंक दिए जाते हैं, जो अन्य आयन ट्रांसपोर्टर के साथ सम्पूर्ण झिल्ली में आयन संकेन्द्रण के सामान्य अनुपात को बनाए रखता है। कैल्शियम धनायन और क्लोराइड ऋणायन, ऐक्शन पोटेंशिअल के कुछ प्रकारों में शामिल हैं, उदाहरण के लिए क्रमशः हृदय संबंधी ऐक्शन पोटेंशिअल और एकल कोशिका अल्गा, "एसेटाबुलारिया" में ऐक्शन पोटेंशिअल.

हालांकि ऐक्शन पोटेंशिअल को स्थानीय स्तर पर उत्तेजनीय झिल्ली के पैच पर उत्पन्न किया जाता हैं, फलित होने वाली धाराएं, झिल्ली के आस-पास के फैलाव पर ऐक्शन पोटेंशिअल शुरू कर सकती हैं, जो डोमिनो के समान प्रसरण उत्पन्न कर सकते हैं। विद्युत् क्षमता (इलेक्ट्रोटोनिक पोटेंशिअल) के निष्क्रिय प्रसार के विपरीत, ऐक्शन पोटेंशिअल, झिल्ली के उत्तेजनीय फैलाव के पास नए सिरे से उत्पन्न होते हैं और बिना क्षय के फैलते हैं। अक्षतंतु के मेलिन लेपित खंड उत्तेजनीय नहीं होते और वे ऐक्शन पोटेंशिअल उत्पन्न नहीं करते और संकेत, इलेक्ट्रोटोनिक पोटेंशिअल के रूप में निष्क्रिय रूप से प्रसारित होता है। नियमित अंतराल पर बिना मेलिन लेपित पैच, जिसे नोड्स ऑफ़ रैनविअर कहा जाता है, संकेत को बढ़ाने के लिए ऐक्शन पोटेंशिअल उत्पन्न करते हैं। अस्थिर संवाहन के रूप में ज्ञात, इस प्रकार का संकेत प्रसार, संकेत वेग और अक्षतंतु व्यास का एक अनुकूल समझौताकारी तालमेल प्रदान करता है। सामान्य तौर पर, अक्षतंतु टर्मिनल का विध्रुवण, सिनेप्टिक क्लेफ्ट में न्यूरोट्रांसमीटर के स्राव को प्रेरित करता है। इसके अलावा, पश्च-प्रसरण ऐक्शन पोटेंशिअल को पिरामिडीय न्यूरॉन्स के डेंड्राइट में दर्ज किया गया है, जो नियोकोर्टेक्स में सर्वत्र हैं। माना जाता है कि स्पाइक-टाइमिंग-डिपेंडेंट प्लास्टिसिटी में इनकी एक भूमिका होती है।

एक विशिष्ट न्यूरॉन के लिए अवलोकन
विश्राम क्षमता (रेस्टिंग पोटेंशिअल)
विद्युत सिनेप्सेस
झिल्ली क्षमता (मेम्ब्रेन पोटेंशिअल)