Membranski potencijal je napon koji postoji na membrani stanice. Poznat je i kao transmembranski potencijal, a posebno je važan u živčanim stanicama, odnosno neuronima. Membranski potencijal je uzrokovan električnom razlikom potencijala između unutarnje i vanjske strane stanice. Kada neuron miruje, što znači da ne ispaljuje živčani impuls, unutarnja strana njegove stanične membrane ima negativan naboj u usporedbi s vanjštinom stanice. To je posljedica različitih koncentracija nabijenih iona neposredno unutar i izvan membrane.
Membranski potencijali nastaju zato što stanične membrane ne dopuštaju ionima natrija i kalija da slobodno prolaze u i iz stanica i postignu ravnotežu. Umjesto toga, posebni prolazi poznati kao ionski kanali dopuštaju ionima kalija da se kreću kroz staničnu membranu, smanjujući pozitivni naboj unutar stanice. Ionske pumpe u membrani koriste energiju za ispumpavanje natrijevih iona iz stanice, dok pumpaju kalij unutra. Za svaki par kalijevih iona koji se pomiču u stanicu pomoću ovih ionskih transportera, tri natrijeva iona se pomiču van, uzrokujući ukupni gubitak pozitivan naboj iz stanice. Negativno nabijene proteinske molekule unutar stanice također su spriječene da napuste.
Zajedno, ovi čimbenici stvaraju negativan naboj unutar stanice u odnosu na vanjsku stranu, što tvori membranski potencijal. Potencijal je konstantan u mirovanju, ali se mijenja u živčanim stanicama kada se impulsi prenose s jednog neurona na drugi. Tijekom prijenosa živčanih impulsa javlja se ono što je poznato kao akcijski potencijal, gdje stanična membrana prolazi kroz proces koji se naziva depolarizacija. Nakon akcijskog potencijala, membranski potencijal se vraća u normalno stanje mirovanja, koje se inače mjeri kao razlika od -70 milivolta između unutarnje i vanjske strane membrane.
Akcijski potencijal počinje kada živčani podražaj stigne u stanicu, otvarajući posebne natrijeve kanale u staničnoj membrani. Pozitivno nabijeni natrijevi ioni prolaze u stanicu, a membranski potencijal se mijenja i postaje manje negativan. Kada se dosegne točka poznata kao prag djelovanja, otvara se mnogo više natrijevih kanala i unutarnja strana stanične membrane postaje pozitivno nabijena, obrnuto od normalnog.
Oko vrha akcijskog potencijala otvaraju se kalijevi kanali i kalij izbija iz stanice. To čini unutrašnjost stanice negativnijom tako da je membrana repolarizirana. Otprilike u to vrijeme zatvaraju se i natrijevi kanali. Obično repolarizacija prelazi i postupno se vraća na normalni membranski potencijal mirovanja. Ovaj proces preokretanja membranskog potencijala za stvaranje akcijskog potencijala je ono što omogućuje prijenos impulsa duž živaca.