Potencijalna ili potencijalna razlika nastaje kada postoji razlika u električnom naboju između dvije točke. Ova razlika u naboju obično je posljedica koncentracije suprotno nabijenih iona u svakoj točki. Akcijski potencijal nastaje kada dođe do nagle i oštre promjene razlike potencijala preko membrane živčane stanice koja se širi duž duljine stanice.
Kada se živčani impuls ne prenosi, unutarnja strana živčane stanice ima negativan naboj, a izvana pozitivan. Kaže se da je u stanju mirovanja, pa je razlika potencijala u ovom trenutku potencijal mirovanja. Razlika u nabojima nastaje zbog količine iona koji se nalazi unutar i oko stanice. U slučaju živčanih stanica, razlika potencijala je posljedica natrijevih i kalijevih iona.
Svi živčani impulsi su ionske prirode. Kada živčana stanica miruje, na obje strane membrane postoje različite koncentracije kalijevih i natrijevih iona. Ovu razliku održavaju natrij-kalijeve pumpe u membrani. Ova pumpa pumpa ione natrija iz stanice i ione kalija unutra.
Ioni kalija i natrija difundiraju kroz membranu zbog razlike u koncentraciji s obje strane. Kalijevi ioni mogu lako difundirati izvan stanice, ali membrana je relativno nepropusna za natrijeve ione koji difundiraju unutra. Sveukupni rezultat je da unutrašnjost živčane stanice ima negativan naboj u odnosu na vanjsku stranu stanice.
Kada je živčana stanica stimulirana i pokrenut impuls, situacija je trenutno obrnuta. Unutrašnjost stanice postaje pozitivna, a vanjska negativna. Ovaj iznenadni preokret potencijala mirovanja koji prati impuls je akcijski potencijal. Akcijski potencijal je izrazito kratkog vijeka, pa je impuls zapravo val depolarizacije, odnosno akcijski potencijali, koji prolazi duž stanice.
Tijekom impulsa, stanična membrana postaje propusna za natrijeve ione. Ioni natrija imaju vrlo visoku koncentraciju izvan membrane, pa brzo difundiraju u stanicu. To se događa vrlo brzo i preokreće potencijal mirovanja. S toliko pozitivnih iona koji se sada nalaze unutar stanice, unutrašnjost ima pozitivan naboj u odnosu na vanjski.
Natrijevi ioni mogu ući u stanicu kroz ionske kanale. Kada se stanica odmara, ionski kanali ostaju zatvoreni i sprječavaju ulazak natrijevih iona u stanicu. Kada su stimulirani impulsom, otvaraju se i dopuštaju prodor natrijevih iona. Na taj način se akcijski potencijali i impulsi sami šire. Akcijski potencijal u jednom području membrane stimulira sljedeće područje uzrokujući otvaranje ionskih kanala. To zauzvrat pokreće akcijski potencijal, koji zatim stimulira sljedeće područje i tako dalje.
Kako natrijevi ioni ulaze u stanicu, ioni kalija izlaze. Ovo je početak procesa oporavka gdje unutrašnjost stanice počinje ponovno dobivati svoj negativni naboj. Nakon što akcijski potencijal prođe i krene duž stanične membrane, ionski kanali se zatvaraju i membrana postaje nepropusna za natrijeve ione. Natrij-kalijeva pumpa ponovno ispumpava natrijeve ione i kalijeve ione, što rezultira obnavljanjem potencijala mirovanja.