Tot nu toe zijn we uitgegaan van een passief celmodel, dat wil zeggen een model waarin de membraaneigenschappen, en als gevolg daarvan de membraanpotentiaal, onveranderlijk zijn. Maar bij elektrisch stimuleerbare (exciteerbare) cellen zoals zenuwcellen en spiercellen blijkt de membraanpotentiaal echter op een tijdschaal van enkele milliseconden tijdelijk te kunnen veranderen als reactie op een prikkel. Zo'n actiepotentiaal (voor zenuwcellen in het Engels ook wel spike genoemd) blijkt vooral het gevolg te zien van een tijdelijke verandering van de geleidbaarheid van het membraan voor kalium- en natriumionen. Het is een lokale reactie op een prikkel die evenwel aan het omliggende deel van het membraan wordt doorgegeven en zo leidt tot een voortgeleid signaal.

De prikkel kan een tijdelijke verlaging van de membraanpotentiaal zijn ten opzichte van de rustmembraanpotentiaal, een verschijnsel dat men hyperpolarisatie noemt, maar deze zal alleen leiden tot een geleidelijke aanpassing van de membraanpotentiaal en de respons op de prikkel is evenredig met de grootte van de prikkel.

Veel interessanter is een tijdelijke verhoging van de membraanpotentiaal ten opzichte van de rustmembraanpotentiaal, een verschijnsel dat men depolarisatie noemt. Bij een niet al te grote prikkel past de membraanpotentiaal zich geleidelijk aan de nieuwe omstandigheden aan en is de respons evenredig met de grootte van de prikkel. Maar spectaculair is het effect wanneer de prikkel een zekere grenswaarde, de zogenaamde vuurdrempel, overschrijdt: dan wordt een actiepotentiaal teweeg gebracht en de membraanpotentiaal stijgt in zeer korte tijd van een negatieve tot zelfs positieve waarde (het deel van de actiepotentiaal boven de 0 mV heet op overshoot (overschot)) om daarna in de repolarisatiefase langzaam weer terug te keren naar de oorspronkelijke rustmembraanpotentiaal. Tijdens deze terugkeer kan het voorkomen dat tijdelijk de membraanpotentiaal onder de rustmembraanpotentiaal komt (undershoot), maar dit hangt af van het type van de cel. In onderstaande figuur is de actiepotentiaal ten gevolge van een stroominjectie voor verschillende weefsels te zien.

Wat verder vermeldenswaard is, is het gegeven dat de vorm en de hoogte van de actiepotentiaal nauwelijks afhangt van de sterkte van de prikkel: het is enkel een kwestie van prikkeling boven of onder de vuurdrempel die bepaalt of een actiepotentiaal teweeg gebracht wordt of niet. Het is een alles-of-niets-mechanisme. Wel zullen we zien dat de sterkte van de prikkel invloed heeft op de frequentie van herhaling van de actiepotentiaal: een grote stimulus vertaalt zich dan in een dicht op elkaar liggende serie van actiepotentialen (spike train), terwijl een milde prikkeling meer ruimte tussen actiepotentialen geeft. Onderstaande figuur illustreert dit.

In deze sectie zullen we ingaan op het model dat Hodgkin en Huxley hiervoor in de jaren vijftig van de vorige eeuw opgesteld hebben en waarvoor zij de Nobelprijs in ontvangst mochten nemen. Zij hebben hun model opgesteld op basis van metingen bij een reuze-zenuwvezel (reuze-axon) van een pijlinktvis. Het is het standaardvoorbeeld voor modellering van actiepotentialen in een cel: veel van de andere modellen zijn variaties hierop.