Il potenziale d'azione è generato nei canali ionici voltaggio-dipendenti che sono presenti nella membrana plasmatica di una cellula. Questi canali ionici sono attivati da cambiamenti nel potenziale elettrico della membrana vicino al canale.
Quando un evento esterno causa un aumento del potenziale elettrico della membrana e la depolarizzazione, i canali ionici voltaggio-dipendenti si aprono e causano un afflusso di ioni sodio nell'assone. Questo alla fine causa la depolarizzazione della membrana e un'inversione della polarità elettrica della membrana. Successivamente, i canali del sodio si chiudono e i canali del potassio si aprono, causando un esodo di ioni di potassio fuori dall'assone e la depolarizzazione dell'assone. L'intero processo di potenziale aumento e diminuzione è chiamato potenziale d'azione.
