Hiperpolarizācija notiek, ja elektriskā potenciāla atšķirība starp divām šūnu membrānas pusēm būtiski mainās, kā rezultātā membrānā rodas liels elektriskais potenciāls. Konkrēti, elektriskā potenciāla vērtība pāri membrānai kļūst negatīvāka, kas nozīmē, ka lādiņš šūnas membrānas iekšpusē ir negatīvāks nekā lādiņš membrānas ārpusē. Šo procesu parasti novēro neirozinātnēs, jo neironi tiek aktivizēti procesos, kas saistīti ar elektriskā potenciāla izmaiņām. Hiperpolarizācijas pretstats ir depolarizācija, kurā šūnas potenciāls kļūst pozitīvāks, kas nozīmē, ka šūnas membrānā ir ievērojami mazāks negatīvais lādiņš.
Elektroķīmiskie procesi parasti ir atbildīgi par hiperpolarizāciju pāri šūnu membrānām. Dažādu ķīmisko vielu koncentrācija dažādās membrānas pusēs var izraisīt elektriskā potenciāla attīstību pāri membrānai. Parasti, kad elektriskais potenciāls sasniedz noteiktu punktu, tiks uzsākts kāds bioloģisks process, piemēram, neirona aizdegšanās. Pēc šī punkta membrānai ir tendence atgriezties pie miera potenciāla vai elektriskā potenciāla, pirms kādi stimuli izraisīja elektroķīmisko notikumu. Neironos šis process notiek nepārtraukti; stimuli izraisa polarizāciju virs membrānas, un, kad šīs polarizācijas pakāpe pārsniedz noteiktu slieksni, neirons uzliesmo un atgriežas savā miera stāvoklī.
Neirons neiedarbosies, kamēr tā elektriskais potenciāls nepārsniegs noteiktu slieksni. Sasniedzot slieksni, elektriskais potenciāls krasi palielinās, ļaujot neironam nosūtīt elektrisko signālu uz citām ķermeņa daļām. Hiperpolarizācija notiek pēc šī potenciāla pieauguma; elektroķīmiskais potenciāls uz īsu brīdi kļūst negatīvs, nokrītot zem miera potenciāla, pirms atgriežas miera potenciālā. Parasti šis hiperpolarizācijas posms ilgst tikai īsu sekundes daļu.
Hiperpolarizācija un elektriskie potenciāli pāri membrānām kopumā ietver elektronu pārnesi jonos. Jons ir atoms, kuram ir pozitīvs vai negatīvs lādiņš. Kālija un hlora joni parasti ir iesaistīti elektroķīmiskos potenciālos; to relatīvās koncentrācijas nosaka šūnu elektroķīmiskā potenciāla lielumu. Atpūtas stadijā kālijs atrodas šūnu membrānā; iedarbojoties uz stimulu, kālijs izplūst un caur membrānu šūnā ieplūst negatīvie hlora joni. Reizēm nātrija un kalcija joni izraisa elektroķīmiskos šūnu potenciālus arī pāri šūnu membrānām.