Điện thế hoạt động
Lịch sử khám phá hiện tượng điện sinh vật

Vai trò điện sinh học của hệ thống thần kinh trên các đối tượng thí nghiệm động vật lần đầu tiên đã được quan sát thấy ở con ếch bởi Luigi Galvani, người đã tiến hành cuộc nghiên cứu về các thuộc tính điện của thần kinh từ năm 1791 đến năm 1797. Các giá trị và thành quả thu được từ Galvani đã kích thích Alessandro Volta phát triển ra pin Volta—cũng được xem là loại pin điện đầu tiên trong lịch sử—tạo điều kiện thuận lợi để ông  nghiên cứu hiện tượng điện sinh vật (chẳng hạn khả năng phóng ra điện rất mạnh khoảng 600 V của loài cá chình điện) và các đáp ứng sinh lý quan sát được khi dẫn điện áp một chiều qua cơ thể sinh vật.
Vào thế kỷ thứ 19, các nhà khoa học đã nghiên cứu sự truyền động của các tín hiệu điện trong toàn bộ dải thần kinh (tức là, các bó mạch thần kinh) và chứng minh rằng mô thần kinh được làm từ các tế bào, thay vì đó là mạng lưới ống thần kinh kết nối với nhau (reticulum). Carlo Matteucci đã theo dõi những nghiên cứu của Galvani và chứng minh màng tế bào tồn tại một điện thế xuyên màng và có thể sản sinh ra dòng điện một chiều. Tiếp đó, công trình của Matteucci cũng truyền cảm hứng cho nhà sinh lý học người Đức, Emil du Bois-Reymond, và cũng là người khám phá ra điện thế hoạt động vào năm 1843. Vận tốc dẫn truyền của điện thế hoạt động lần đầu tiên được đo lường vào năm 1850 bởi Hermann von Helmholtz, ông là bạn của Bois-Reymond. Để chứng minh mô thần kinh được cấu tạo từ những tế bào rời rạc, vị bác sĩ người Tây Ban Nha Santiago Ramón y Cajal và học trò của ông đã sử dụng kỹ thuật nhuộm mô do Camillo Golgi phát triển để mô tả lại vô số hình dạng khác nhau của những tế bào nơron, họ đã làm công việc này rất chăm chỉ. Nhờ vào những cống hiến của họ, năm 1906 cả Golgi và Ramón y Cajal đều được nhận giải thưởng Nobel Sinh lý học và Y học. Công trình của họ đã giải quyết được những cuộc tranh cãi lâu dài về khía cạnh giải phẫu thần kinh vào thế kỷ thứ 19; trong đó Golgi vẫn còn tranh luận mô hình mạng lưới hệ thống thần kinh.
Thế kỷ thứ 20 chính là thời đại hoàng kim của lĩnh vực điện sinh lý học. Năm 1902 và năm 1912, Julius Bernstein đã đưa ra giả thuyết rằng điện thế hoạt động là kết quả của sự thay đổi về tính thấm của màng sợi trục đối với các hạt mang điện. Sau đó thì, giả thuyết của Bernstein cũng đã được xác nhận bởi Ken Cole and Howard Curtis, những người này thực nghiệm và thấy rằng tính thấm của màng tế bào tăng lên trong sự kiện điện thế hoạt động. Năm 1949, Alan Hodgkin và Bernard Katz hoàn thiện hơn nữa cho giả thuyết mà Bernstein đưa ra, đó là tính thấm màng sợi trục có thể khác nhau đối với từng loại ion nhất định; đi sâu vào chi tiết, họ đã chứng minh rằng tính thấm của ion natri đối với điện thế hoạt động là cực kỳ quan trọng. Tiến độ nghiên cứu này đạt cực điểm vào năm 1952, với sự ra đời của năm bài viết khoa học của Hodgkin, Katz và Andrew Huxley, trong đó họ thực hiện kỹ thuật kẹp điện thế để xác định sự phụ thuộc của tính thấm màng sợi trục đối với các ion natri và kali vào điện thế và thời gian, từ đó họ có khả năng tái xây dựng điện thế hoạt động thông qua mô hình định lượng. Mô hình toán học mà Hodgkin và Huxley đã đưa ra cũng có tương quan với các kênh ion khác nhau và với các trạng thái khác nhau, bao gồm có "mở", "đóng", và "bất hoạt". Giả thuyết của họ được Erwin Neher và Bert Sakmann xác nhận trong khoảng giữa những năm 1970 và những năm 1980, là những người phát triển kỹ thuật kẹp dính mảnh màng để phát hiện ra sự thay đổi về trạng thái thấm của từng loại kênh ion riêng biệt. Trong thế kỷ thứ 21, các nhà nghiên cứu dần bắt đầu hiểu rõ cấu trúc nền tảng của những trạng thái thấm và cả tính chọn lọc của kênh cho một số ion đi qua, thông qua cấu trúc tinh thể với độ phân giải nguyên tử, phương pháp đo lường khoảng cách huỳnh quang và phương pháp đông lạnh mẫu thử dùng trong kính hiển vi điện tử (cryo-electron microscopy).
Julius Bernstein cũng là người đầu tiên đưa ra phương trình Nernst cho điện thế nghỉ xuyên màng; David E. Goldman đã nghiên cứu kỹ hơn về phương trình và tổng quát hóa nó dẫn đến sự thiết lập của phương trình mới mang tên ông vào năm 1943, đó là phương trình Goldman. Năm 1957, bơm Na⁺/K⁺-ATPase được nhận diện và cơ chế, các chức năng sinh học của nó cũng dần được làm rõ, hình thể kết cấu được xác định một cách rất chính xác qua công nghệ tinh thể học tia X hiển thị cấu trúc với độ phân giải của nguyên tử. Các bơm ion liên quan cũng đã được khám phá về cấu trúc tinh thể, cho ra cái nhìn toàn diện hơn đối với cách thức những bộ máy phân tử này làm việc như thế nào.