Hiperpolarizacija se događa kada se razlika u električnom potencijalu između dvije strane stanične membrane značajno promijeni, što rezultira velikim električnim potencijalom na membrani. Točnije, vrijednost električnog potencijala preko membrane postaje negativnija, što znači da je naboj unutar stanične membrane negativniji od naboja na vanjskoj strani membrane. Ovaj proces se obično promatra u neuroznanosti jer se neuroni aktiviraju kroz procese koji uključuju promjene u električnom potencijalu. Suprotnost hiperpolarizaciji je depolarizacija, u kojoj potencijal stanice postaje pozitivniji, što znači da je unutar stanične membrane znatno manje negativnog naboja.
Elektrokemijski procesi općenito su odgovorni za pojavu hiperpolarizacije kroz stanične membrane. Koncentracije različitih kemikalija na različitim stranama membrane mogu uzrokovati razvoj električnog potencijala preko membrane. Općenito, kada električni potencijal dosegne određenu točku, pokrenut će se neki biološki proces, kao što je aktiviranje neurona. Nakon ove točke, membrana se nastoji vratiti svom potencijalu mirovanja, odnosno električnom potencijalu prije nego što je bilo koji podražaj prouzročio elektrokemijski događaj. U neuronima se ovaj proces događa kontinuirano; podražaji uzrokuju polarizaciju preko membrane, a kada stupanj te polarizacije prijeđe određeni prag, neuron se aktivira i vraća u svoj potencijal mirovanja.
Neuron se neće aktivirati sve dok njegov električni potencijal ne prijeđe određeni prag. Po dolasku do praga, električni potencijal se drastično povećava, omogućujući neuronu da pošalje električni signal drugim dijelovima tijela. Hiperpolarizacija se događa nakon ovog skoka potencijala; elektrokemijski potencijal nakratko postaje negativan, pada ispod potencijala mirovanja, prije nego što se vraća u potencijal mirovanja. Obično ova faza hiperpolarizacije traje samo kratak djelić sekunde.
Hiperpolarizacija i električni potencijali kroz membrane općenito uključuju prijenos elektrona u ionima. Ion je atom koji ima pozitivan ili negativan naboj. Ioni kalija i klora obično su uključeni u elektrokemijske potencijale; njihove relativne koncentracije određuju veličinu elektrokemijskog staničnog potencijala. U fazi mirovanja, kalij leži unutar stanične membrane; nakon izlaganja podražaju, kalij izlazi van i negativni ioni klora ulaze u stanicu kroz membranu. Ponekad ioni natrija i kalcija također uzrokuju elektrokemijske stanične potencijale kroz stanične membrane.