Появление биопотенциалов является следствием процессов, происходящих на полупроницаемых мембранах клеток живой ткани. Биопотенциалы возникают в результате различия концентраций неорганических ионов (главным образом калия, натрия, хлора) по обе стороны клеточной мембраны. При отсутствии возбуждения внутренняя поверхность клеточных мембран имеет постоянный отрицательный потенциал по отношению к внешней. Этот потенциал, называемый "потенциалом покоя", достигает 60-80 мВ у нервных клеток, 80-90 мВ у волокон поперечнополосатых мьшц, 90-95 мВ у волокон сердечной мышцы.
При возбуждении ткани происходит кратковременное изменение потенциала мембраны, возникает так называемый "потенциал действия". Потенциал действия обусловлен скачкообразным изменением проницаемости мембраны, происходящим при возбуждении клетки. Распределение ионов по равные стороны мембраны при этом быстро изменяется. В дальнейшем исходные концентрации постепенно восстанавливаются. Пик потенциала действия имеет длительность в несколько миллисекунд (1-2 мс) у нервной клетки.