Hiperpolaryzacja występuje, gdy różnica potencjałów elektrycznych między dwiema stronami błony komórkowej zmienia się znacząco, co skutkuje dużym potencjałem elektrycznym w poprzek błony. W szczególności wartość potencjału elektrycznego na błonie staje się bardziej ujemna, co oznacza, że ładunek wewnątrz błony komórki jest bardziej ujemny niż ładunek na zewnątrz błony. Proces ten jest powszechnie obserwowany w neuronauce, ponieważ neurony są aktywowane w procesach obejmujących zmiany potencjału elektrycznego. Przeciwieństwem hiperpolaryzacji jest depolaryzacja, w której potencjał komórki staje się bardziej dodatni, co oznacza, że wewnątrz błony komórkowej jest znacznie mniej ładunku ujemnego.
Procesy elektrochemiczne są generalnie odpowiedzialne za występowanie hiperpolaryzacji w błonach komórkowych. Stężenia różnych substancji chemicznych po różnych stronach błony mogą powodować powstawanie potencjału elektrycznego w całej błonie. Ogólnie rzecz biorąc, gdy potencjał elektryczny osiągnie pewien punkt, zainicjowany zostanie pewien proces biologiczny, taki jak odpalenie neuronu. Po tym punkcie błona ma tendencję do powrotu do swojego potencjału spoczynkowego lub potencjału elektrycznego, zanim jakikolwiek bodziec spowodował wystąpienie zdarzenia elektrochemicznego. W neuronach proces ten zachodzi w sposób ciągły; bodźce powodują pojawienie się polaryzacji na błonie, a gdy stopień tej polaryzacji przekroczy określony próg, neuron odpala i powraca do swojego potencjału spoczynkowego.
Neuron nie zadziała, dopóki jego potencjał elektryczny nie przekroczy pewnego progu. Po osiągnięciu progu potencjał elektryczny drastycznie wzrasta, umożliwiając neuronowi wysyłanie sygnału elektrycznego do innych części ciała. Hiperpolaryzacja następuje po tym wzroście potencjału; potencjał elektrochemiczny na krótko staje się ujemny, spadając poniżej potencjału spoczynkowego, zanim powróci do potencjału spoczynkowego. Zwykle ten etap hiperpolaryzacji trwa tylko krótki ułamek sekundy.
Hiperpolaryzacja i potencjały elektryczne w poprzek błon ogólnie wiążą się z przenoszeniem elektronów w jonach. Jon to atom, który ma ładunek dodatni lub ujemny. Jony potasu i chloru są powszechnie zaangażowane w potencjały elektrochemiczne; ich względne stężenia określają wielkość elektrochemicznego potencjału komórkowego. W fazie spoczynku potas znajduje się w błonie komórkowej; po wystawieniu na bodziec, potas wyrzuca się, a ujemne jony chloru wpływają do komórki przez błonę. Czasami jony sodu i wapnia również powodują elektrochemiczne potencjały komórkowe w błonach komórkowych.