Điện thế hoạt động
Các giai đoạn biến đổi của điện thế hoạt động

Quá trình điện thế hoạt động được xác định bởi hai hệ quả phối hợp nhau.:127–128 Thứ nhất, các kênh ion nhạy cảm với điện thế sẽ mở và đóng tùy thuộc vào những thay đổi về điện thế màng Vm, như thế làm thay đổi tính thấm màng đối với các ion.:65 Tuy nhiên, theo phương trình Goldman, sự biến đổi về tính thấm các ion cũng sẽ gây ra tác động ngược lại với điện thế cân bằng Em, cũng như đối với điện thế màng Vm. Sự tương tác hai chiều này giữa Vm và những kênh ion sẽ xây dựng vòng điều hòa ngược dương tính, điều này vô cùng quan trọng trong giai đoạn tăng khử cực (rising phase) của điện thế hoạt động.:49–55:141, 150–151:483:89:127 Điều này thực sự không diễn ra một cách thuận lợi, bởi vì kênh ion có thể có "cánh cổng" bên trong chống lại những biến đổi mà điện thế màng Vm gây ra, hoặc là cản trở tốc độ lưu hành của dòng ion vào nội bào.:69:149–150:84–85:152–158 Chẳng hạn, dẫu rằng giá trị Vm tăng lên sẽ khiến cho các cổng của kênh natri nhạy cảm điện thế mở ra, nhưng nó cũng đồng thời làm cho "cánh cổng bất hoạt" của kênh đóng lại một cách rất chậm.:147–148:128 Như vậy, khi điện thế màng Vm tăng đột biến và những cánh cổng hoạt hóa kênh natri bắt đầu mở ra (activation gate), nhưng sau đó dòng chảy ion Na+ cũng bị chặn lại là kết quả của sự đóng lại chậm các cánh cổng bất hoạt (inactivation gate).
Một chu kỳ của điện thế hoạt động có thể được chia ra thành bốn giai đoạn: giai đoạn tăng khử cực (rising phase), giai đoạn tăng tái phân cực hay giai đoạn giảm khử cực (falling phase), giai đoạn cực hóa (hay siêu phân cực, undershoot phase), và giai đoạn trơ (refractory period). Tính thấm màng tế bào đối với ion kali lớn hơn nhiều so với các ion khác, khiến cho giá trị điện thế nghỉ tiến dần đến giá trị EK.:45:134:478–480 Hiện tượng khử cực đủ mạnh (làm tăng giá trị Vm) sẽ đẩy các cánh cổng của kênh natri nhạy cảm với điện thế; tăng cường tính thấm ion natri đưa giá trị Vm tiến tới giá trị điện thế cân bằng của natri ENa là +55mV. Biên độ điện thế càng tăng cao càng thúc đẩy nhiều kênh natri mở ra hơn, điều này tương đương giá trị Vm sẽ càng tiến đến giá trị ENa. Cơ chế điều hòa ngược dương tính này sẽ tiếp tục vận hành cho đến khi các kênh natri hoàn toàn mở ra và giá trị điện thế nghỉ Vm cũng tiến gần đến giá trị cân bằng ENa.:46:140–141, 150–151:480–481, 483–484:89–90 Đây là giai đoạn tăng khử cực.:46 Đến điểm giới hạn nhất định, các kênh natri bắt đầu bất hoạt dần, tương ứng tính thấm của màng đối với ion natri giảm xuống, và đưa giá trị Vm  trở về mức giá trị điện thế nghỉ ban đầu.:49:147–148:128 Trong khi đó, các kênh kali sẽ mở ra toàn bộ, như thế làm cho giá trị điện thế màng tiến về giá trị điện thế cân bằng kali EK.:55:147–149:126–127:483–484 Đây chính là giai đoạn tăng tái phân cực.:47 Trong khoảng thời gian mà tính thấm của ion kali vẫn còn cao bất thường, điều này sẽ cực hóa điện thế màng, với giá trị vượt xa hơn giá trị điện thế nghỉ bình thường; và đây là giai đoạn siêu phân cực.:55 Những sự kiện cuối cùng của chu kỳ điện thế hoạt động gồm có, đó là khoảng thời gian mà điện thế hoạt động kế tiếp không được tạo ra hay khó có thể tạo ra, được gọi là giai đoạn trơ, và giai đoạn này có thể xảy ra trùng với những giai đoạn khác.:55
Vào năm 1952, giá trị điện thế và cường độ dòng ion của điện thế hoạt động đã được mô hình hóa một cách chính xác bởi Alan Lloyd Hodgkin và Andrew Huxley trong tất cả các giai đoạn. Năm 1963, họ nhận được Giải Nobel Sinh lý học và Y học nhờ vào những cống hiến của họ. Tuy nhiên, mô hình mà họ đưa ra chỉ xoay quanh hai loại kênh ion nhạy cảm với điện thế, và có nhiều giả định trong đó, cụ thể hơn là các cánh cổng bên trong sẽ mở và đóng một cách độc lập. Trên thực tế, có nhiều loại kênh ion khác nhau, và chúng không chỉ luôn luôn giữ trạng thái ổn định (hoặc mở, hoặc đóng).