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Una neurona está polarizada, es decir, tiene una carga eléctrica negativa en el interior de la membrana celular respecto al exterior, esto se debe a la libre circulación de iones de potasio con carga positiva a través de la membrana celular y a que los iones de sodio con carga positiva se mantienen en el exterior de la célula mediante un proceso activo. Todas las células tienen esta diferencia de potencial pero cuando se aplica a una célula nerviosa una corriente estimuladora se produce un suceso único, primero, los iones de potasio penetran en la célula, reduciendo su carga negativa (despolarización), las propiedades de la membrana cambian y la célula se hace permeable al sodio, que entra en ella con rapidez y origina una carga neta positiva en el interior de la neurona. Esto se denomina el potencial de acción.

Una vez alcanzado este potencial en una zona de la neurona, éste se propaga a lo largo del axón mediante un intercambio de iones en unos puntos específicos llamados nódulos de Ranvier. La amplitud del potencial de acción es autolimitado debido a que una concentración elevada de sodio en el interior origina la expulsión de la célula primero de los iones de potasio y después de los de sodio, restableciéndose la carga negativa en el interior de la membrana celular, es decir la neurona se repolarizaría. El proceso completo dura menos de una milésima de segundo. Después de un breve lapso, llamado periodo refractario, la neurona está en condiciones de repetir este proceso.