Hiperpolarizarea apare atunci când diferența de potențial electric dintre cele două părți ale unei membrane celulare se modifică semnificativ, rezultând un potențial electric mare peste membrană. Mai exact, valoarea potențialului electric de-a lungul membranei devine mai negativă, ceea ce înseamnă că sarcina din interiorul membranei celulei este mai negativă decât sarcina din exteriorul membranei. Acest proces este observat în mod obișnuit în neuroștiință, deoarece neuronii sunt activați prin procese care implică modificări ale potențialului electric. Opusul hiperpolarizării este depolarizarea, în care potențialul unei celule devine mai pozitiv, ceea ce înseamnă că există mult mai puțină sarcină negativă în interiorul membranei celulare.
Procesele electrochimice sunt în general responsabile pentru apariția hiperpolarizării în membranele celulare. Concentrațiile diferitelor substanțe chimice de pe diferite părți ale unei membrane pot determina dezvoltarea unui potențial electric pe membrană. În general, când potențialul electric atinge un anumit punct, va fi inițiat un proces biologic, cum ar fi declanșarea unui neuron. După acest punct, membrana tinde să revină la potențialul său de repaus sau la potențialul electric înainte ca orice stimul să determine evenimentul electrochimic. În neuroni, acest proces are loc continuu; stimulii determină polarizarea să apară peste o membrană, iar atunci când gradul de polarizare depășește un anumit prag, neuronul se declanșează și revine la potențialul său de repaus.
Un neuron nu se va declanșa până când potențialul său electric nu depășește un anumit prag. La atingerea pragului, potențialul electric crește drastic, permițând neuronului să trimită un semnal electric către alte părți ale corpului. Hiperpolarizarea apare după această creștere a potențialului; potențialul electrochimic devine pentru scurt timp negativ, coborând sub potențialul de repaus, înainte de a reveni la potențialul de repaus. De obicei, această etapă de hiperpolarizare durează doar o scurtă fracțiune de secundă.
Hiperpolarizarea și potențialele electrice prin membrane în general implică transferul de electroni în ioni. Un ion este un atom care are o sarcină pozitivă sau negativă. Ionii de potasiu și clor sunt implicați în mod obișnuit în potențialele electrochimice; concentraţiile lor relative determină mărimea potenţialului celular electrochimic. În stadiul de repaus, potasiul se află în membrana celulară; la expunerea la un stimul, potasiul iese în grabă și ionii negativi de clor curg în celulă prin membrană. Ocazional, ionii de sodiu și calciu provoacă potențiale celulare electrochimice și peste membranele celulare.