Hüperpolarisatsioon tekib siis, kui elektripotentsiaali erinevus rakumembraani kahe külje vahel muutub oluliselt, mille tulemuseks on suur elektripotentsiaal läbi membraani. Täpsemalt muutub membraani läbiva elektripotentsiaali väärtus negatiivsemaks, mis tähendab, et rakumembraani sisemuse laeng on negatiivsem kui laeng membraani välisküljel. Seda protsessi täheldatakse tavaliselt neuroteaduses, kuna neuronid aktiveeruvad protsesside kaudu, mis hõlmavad elektripotentsiaali muutusi. Hüperpolarisatsiooni vastand on depolarisatsioon, mille käigus raku potentsiaal muutub positiivsemaks, mis tähendab, et rakumembraani sees on oluliselt vähem negatiivset laengut.
Elektrokeemilised protsessid põhjustavad üldiselt rakumembraanide hüperpolarisatsiooni. Erinevate kemikaalide kontsentratsioonid membraani erinevatel külgedel võivad põhjustada elektrilise potentsiaali tekkimist üle membraani. Üldiselt, kui elektripotentsiaal saavutab teatud punkti, käivitatakse mõni bioloogiline protsess, näiteks neuroni süttimine. Pärast seda punkti kipub membraan pöörduma tagasi oma puhkepotentsiaali või elektrilise potentsiaali juurde, enne kui mis tahes stiimulid põhjustasid elektrokeemilise sündmuse toimumist. Neuronites toimub see protsess pidevalt; stiimulid põhjustavad polarisatsiooni membraani kohal ja kui selle polarisatsiooni aste ületab teatud läve, vallandub neuron ja naaseb oma puhkepotentsiaali.
Neuron ei vallandu enne, kui selle elektripotentsiaal ületab teatud läve. Künnise jõudmisel suureneb elektripotentsiaal drastiliselt, võimaldades neuronil saata elektrisignaali teistele kehaosadele. Hüperpolarisatsioon tekib pärast seda potentsiaali hüpet; elektrokeemiline potentsiaal muutub korraks negatiivseks, langedes allapoole puhkepotentsiaali, enne kui naaseb puhkepotentsiaali. Tavaliselt kestab see hüperpolarisatsiooni etapp vaid sekundi murdosa.
Hüperpolarisatsioon ja elektrilised potentsiaalid läbi membraanide hõlmavad üldiselt elektronide ülekannet ioonides. Ioon on aatom, millel on kas positiivne või negatiivne laeng. Kaaliumi- ja klooriioonid on tavaliselt seotud elektrokeemiliste potentsiaalidega; nende suhtelised kontsentratsioonid määravad elektrokeemilise rakupotentsiaali suuruse. Puhkefaasis asub kaalium rakumembraanis; stiimuliga kokkupuutel sööstab kaalium välja ja negatiivsed klooriioonid voolavad läbi membraani rakku. Mõnikord põhjustavad naatriumi- ja kaltsiumioonid elektrokeemilisi rakupotentsiaale ka rakumembraanides.