Hiperpolarizacija se pojavi, ko se razlika v električnem potencialu med dvema stranema celične membrane znatno spremeni, kar povzroči velik električni potencial čez membrano. Natančneje, vrednost električnega potenciala čez membrano postane bolj negativna, kar pomeni, da je naboj na notranji strani celične membrane bolj negativen kot naboj na zunanji strani membrane. Ta proces je običajno opažen v nevroznanosti, saj se nevroni aktivirajo s procesi, ki vključujejo spremembe v električnem potencialu. Nasprotje hiperpolarizacije je depolarizacija, pri kateri potencial celice postane bolj pozitiven, kar pomeni, da je v celični membrani bistveno manj negativnega naboja.
Elektrokemični procesi so na splošno odgovorni za pojav hiperpolarizacije čez celične membrane. Koncentracije različnih kemikalij na različnih straneh membrane lahko povzročijo, da se čez membrano razvije električni potencial. Na splošno, ko električni potencial doseže določeno točko, se sproži nek biološki proces, kot je sprožitev nevrona. Po tej točki se membrana nagiba k vrnitvi v svoj potencial mirovanja ali električni potencial, preden je kateri koli dražljaj povzročil elektrokemični dogodek. V nevronih se ta proces dogaja neprekinjeno; dražljaji povzročijo polarizacijo na membrani in ko stopnja te polarizacije preseže določen prag, se nevron sproži in se vrne v svoj potencial mirovanja.
Nevron se ne bo sprožil, dokler njegov električni potencial ne preseže določenega praga. Ko doseže prag, se električni potencial drastično poveča, kar omogoča nevronu, da pošlje električni signal drugim delom telesa. Po tem porastu potenciala pride do hiperpolarizacije; elektrokemijski potencial za kratek čas postane negativen in pade pod potencial mirovanja, preden se vrne v potencial mirovanja. Običajno ta stopnja hiperpolarizacije traja le kratek delček sekunde.
Hiperpolarizacija in električni potenciali čez membrane na splošno vključujejo prenos elektronov v ione. Ion je atom, ki ima pozitiven ali negativen naboj. Kalijevi in klorovi ioni so običajno vključeni v elektrokemične potenciale; njihove relativne koncentracije določajo velikost elektrokemičnega celičnega potenciala. V fazi mirovanja leži kalij znotraj celične membrane; ob izpostavljenosti dražljaju kalij izbruhne in negativni klorovi ioni pritečejo v celico skozi membrano. Občasno natrijevi in kalcijevi ioni povzročajo elektrokemične celične potenciale tudi čez celične membrane.