Hiperpolarisasi terjadi ketika perbedaan potensial listrik antara dua sisi membran sel berubah secara signifikan, menghasilkan potensial listrik yang besar melintasi membran. Secara khusus, nilai potensial listrik melintasi membran menjadi lebih negatif, artinya muatan di bagian dalam membran sel lebih negatif daripada muatan di bagian luar membran. Proses ini biasanya diamati dalam ilmu saraf karena neuron diaktifkan melalui proses yang melibatkan perubahan potensial listrik. Kebalikan dari hiperpolarisasi adalah depolarisasi, di mana potensial sel menjadi lebih positif, yang berarti bahwa muatan negatif di dalam membran sel secara signifikan lebih sedikit.
Proses elektrokimia umumnya bertanggung jawab atas terjadinya hiperpolarisasi melintasi membran sel. Konsentrasi berbagai bahan kimia pada sisi membran yang berbeda dapat menyebabkan potensial listrik berkembang melintasi membran. Umumnya, ketika potensial listrik mencapai titik tertentu, beberapa proses biologis akan dimulai, seperti penembakan neuron. Setelah titik ini, membran cenderung kembali ke potensial istirahatnya, atau potensial listrik sebelum ada rangsangan yang menyebabkan peristiwa elektrokimia terjadi. Dalam neuron, proses ini terjadi terus menerus; rangsangan menyebabkan polarisasi terjadi di atas membran, dan ketika tingkat polarisasi itu melintasi ambang tertentu, neuron menyala dan kembali ke potensi istirahatnya.
Sebuah neuron tidak akan menyala sampai potensial listriknya melampaui ambang batas tertentu. Setelah mencapai ambang batas, potensi listrik meningkat secara drastis, memungkinkan neuron mengirimkan sinyal listrik ke bagian lain dari tubuh. Hiperpolarisasi terjadi setelah lonjakan potensial ini; potensial elektrokimia sebentar menjadi negatif, turun di bawah potensial istirahat, sebelum kembali ke potensial istirahat. Biasanya, tahap hiperpolarisasi ini hanya berlangsung sepersekian detik.
Hiperpolarisasi dan potensial listrik melintasi membran pada umumnya melibatkan transfer elektron dalam ion. Ion adalah atom yang memiliki muatan positif atau negatif. Ion kalium dan klor umumnya terlibat dalam potensial elektrokimia; konsentrasi relatifnya menentukan besarnya potensial seluler elektrokimia. Pada tahap istirahat, kalium terletak di dalam membran sel; setelah terpapar stimulus, kalium bergegas keluar dan ion klorin negatif mengalir ke dalam sel melalui membran. Kadang-kadang, ion natrium dan kalsium menyebabkan potensial seluler elektrokimia melintasi membran seluler juga.