神经细胞受到有效刺激时，在静息电位基础上发生一次迅速、短暂、可逆性、可扩布的电位变化过程，称为动作电位。
动作电位实际上就是膜受到刺激后在原有的静息电位基础上发生的一次膜两侧电位快速的倒转和复原，即先出现膜的快速去极化而后又出现复极化。
动作电位包括锋电位和后电位。前者具有动作电位的主要特征，是动作电位的标志；后者又分为负后电位（去极化后电位）和正后电位（超极化后电位）。锋电位的波形分为上升支和下降支。当膜受到阈上刺激时，首先引起局部电紧张电位和部分Na⁺通道被激活而产生的主动去极化电位，两者叠加起来形成局部反应。由于Na⁺通道为电压门控通道，膜的去极化程度越大，Na⁺通道开放概率和Na+内流量也就越大，当膜去极化达到阈电位时，Na⁺内流足以超过Na⁺外流，形成膜去极化的负反馈，此时膜外的Na⁺在电—化学驱动力的作用下迅速大量内流，使膜内负电位迅速消失，继而出现正电位，形成动作电位的上升支。当膜内正电位增大到足以对抗化学驱动力时，即Na⁺的内向驱动力和外向驱动力相等时，Na⁺内流的净通量为零，此时所达到的膜电位相当于Na⁺的平衡电位，即锋电位的超射值。膜电位达到Na⁺平衡电位时Na⁺通道失活，而K⁺通道开放，膜内K⁺在电—化学驱动力的作用下向膜外扩散，使膜内电位迅速变负，直至恢复到静息时的K⁺平衡电位，形成动作电位的下降支。可见，锋电位上升支是由Na⁺内流形成的Na⁺电—化平衡电位；而下降支则由K+外流形成的K⁺电—化平衡电位。负后电位亦为K⁺外流所致；而正后电位则是由于生电性Na⁺泵活动增强造成的。