Aksiyon potansiyeli, bir hücrenin elektriksel zar potansiyelinin kısa bir zaman diliminde aniden yükselmesi ve ardından azalmasıdır. Bu fenomen, zar potansiyeli olarak adlandırılan hayvan hücrelerinde birkaç türde ortaya çıkar. Bu hücre türleri arasında kas hücreleri (veya kas lifleri), sinir hücreleri (nöron), endokrin hücreler ve bazı bitki hücreleri bulunur. Sinir hücrelerinde aksiyon potansiyeli, hücreler arasında bulunan iletişimde başrol oynar. Diğer hücre türlerinde ise ana fonksiyonu hücreler arası süreçleri etkinleştirmektir.

Dinlenim durumundayken, nöronun içi yani sitozol negatif elektrik yüklüdür. Aksiyon potansiyeli bu halin anlık olarak tam tersidir; yani nöronun iç bölümü dış bölümüne göre pozitif elektrikle yüklenir. Aksiyon potansiyelinin değeri akson boyunca aynıdır; değeri ve kuvveti akson boyunca düşmez ya da artmaz. Sinyaller, frekansları değiştirilerek kodlanır.

Aksiyon potansiyeli, nörona sokulan mikro elektrotlar kullanılarak ölçülebilmektedir. Aynı şekilde, mikro elektrotlar kullanılarak dışarıdan yapay uyarı da verilebilir. Nörona belli bir akım uygulandığında nöron pasif tepki verir ve dinlenim potansiyelinde dalgalanmalar olur. Eğer verilen akım sayesinde dinlenim potansiyeli belli bir değerin üzerine çıkarsa aksiyon potansiyeli ortaya çıkar. Yani nöronun içindeki voltaj/potansiyel değeri anlık olarak 40 mV'a kadar çıkar. Eğer verilen akım ile dinlenim potansiyeli eşik değerin üzerinde kalmaya devam ederse nöron da ateşlemeyi sürdürür. Verilen akımın değeri arttıkça nöronun ateşleme frekansında artış gözlenir. Ancak bu durumun bir sınırı vardır. Nöron en fazla 1000 Hz ateşleme frekansına çıkabilir.

Aksiyon potansiyelinin meydana gelmesi için zar içindeki potansiyelin eşik değerine ulaşması gereklidir. Bu, yeterli sayıda sodyum kanalının açılarak, sodyum geçişine izin vermesiyle gerçekleşebilir. Sodyum, dışarıda daha yoğun olduğu için (difüzyon) ve içerideki potansiyel değer negatif olduğundan yani içerisi negatif iyonlarla dolu olduğundan kanallar açıldığında sodyum iyonları içeri dolmaya başlar. Bu da iç kısmın hızlı bir biçimde depolarize olmasına neden olur, yani zarın iç kısmı daha az negatif yüklü hale gelir. Örneğin, -65 mV'tan hızlıca -50 mV düzeylerine gelir.

Sodyum kanallarının açık kalma süresi yaklaşık 1 milisaniyedir. Bu zamanda aksiyon potansiyeli gerçekleşir. Bu 1 milisaniye süre içerisinde bir aksiyon potansiyeli daha gerçekleşmesi mümkün değildir. Yeni bir aksiyon potansiyeli için, sodyum kanallarının kapanarak, zar potansiyelinin eşik değeri yakınlarına kadar düşmesi gerekir. Zar potansiyelinin düşmesiyle kanallar kapanır. Bu kanalların kapanmasıyla birlikte potasyum kanalları açılır. İçerisi aşırı biçimde depolarize olduğu için potasyum iyonları kanallar açıldığında derhal hücre dışına akmaya başlar, hücre içi tekrar -65 mV olana kadar potasyum akışı sürer.

Aksiyon potansiyeli, akson boyunca tek yönlü olarak ilerler ve akson boyunca düşmeden devam eder. Çünkü zar, akson boyunca aynı niteliklere sahiptir. Aksiyon potansiyelinin hızı değişmekle beraber çoğunlukla 10 m/s'dir. Miyelin kılıf, aksiyon potansiyelinin hızını artırmaya yarar.

Görüldüğü gibi, kanallar açılınca sodyum iyonları içeri dolarak zarın iç kısmının yükünü daha pozitif hale getirir. Bu durum, bir sonraki sodyum kanallarının açılmasına neden olur. Voltaja duyarlı potasyum kanalları ise dengeyi sağlamak için açılarak içerideki potasyumu boşaltır. Bu durum, iç kısmın tekrar negatif hale gelmesine neden olur. Aksiyon potansiyeli, sinir ve kas hücrelerinin temel iletişim ve işlev mekanizmasıdır ve bu süreç, biyolojik sistemlerin karmaşık ve dinamik yapısını yansıtır.