Puhkepotentsiaal on pinge erinevus rakumembraanil ja seda nimetatakse mõnikord puhkepingeks. Teatud tüüpi rakud, nagu neuronid ja lihasrakud, kasutavad rakus ja kehas muutuste esilekutsumiseks puhkepotentsiaali. Aktsioonipotentsiaalid, lihaste kokkutõmbumine ja tasakaaluprotsesside loomine või muutmine rakus on seotud membraani puhkepotentsiaaliga.
Ioonide kontsentratsioon on erinev nii tsütosoolis ehk raku sisemuses kui ka erinevates rakuosades ja organellides. Kuna ioonid on kas positiivselt või negatiivselt laetud, tekitavad nad nende erinevate sektsioonide vahel laenguerinevuse, moodustades elektripotentsiaali erinevuse. Sageli soovivad rakud seda erinevust membraani ulatuses säilitada, kasutades valgu ioonpumpasid ja kanaleid. Kui elektripotentsiaalide erinevus säilib, nimetatakse seda puhkepotentsiaaliks.
Ioonid, mis on membraani puhkepinge loomisel ja säilitamisel kõige rohkem seotud, on naatriumi (Na) ja kaaliumi (K) ioonid. Üldiselt on K+ kontsentratsioon raku sees suurem kui väljaspool, samas kui Na+ kontsentratsioon on suurem väljaspool rakku kui sees. Seda erinevust säilitab membraanivalgupump, mida nimetatakse Na+/K+-ATPaasiks, mis kasutab suhteliste kontsentratsioonide säilitamiseks energia saamiseks adenosiintrifosfaati (ATP). Pump lisab rakku kolm Na+ iooni iga kahe eksporditava K+ iooni kohta, andes raku sisemusele negatiivsema laengu. See puhkepotentsiaal on eriti oluline neuronite jaoks, mis kasutavad pinge erinevust aktsioonipotentsiaalide süttimiseks.
Neuronites ja teistes närvisüsteemi rakkudes tekib puhkepotentsiaali häirimisel aktsioonipotentsiaal. Aktsioonipotentsiaal saab alguse Na+ ioonide sissevoolust rakku teatud ioonikanalite kaudu, mis teatud läve täitumisel tekitab membraanipotentsiaali depolarisatsiooni. Siin tekib aktsioonipotentsiaal ja elektrisignaal edastatakse neuroni kaudu. Na+ piigi järel avanevad rohkem pingega sõltuvaid ioonikanaleid, vabastades rakust K+, aktsioonipotentsiaali etappi nimetatakse hüperpolarisatsiooniks, kus membraanipotentsiaal langeb allapoole normaalset puhkepinget. Seejärel taastab rakk oma puhkepotentsiaali, kasutades repolarisatsiooniprotsessis Na+/K+-ATPaasi.
Kaltsiumi (Ca) ioonid on olulised ka membraani puhkepotentsiaali säilitamisel lihasrakkudes. Ca2+ ioone hoitakse organellis, mida nimetatakse sarkoplasmaatiliseks retikulumiks ja mis sisaldab valgupumpasid, et säilitada sektsioonis kõrge Ca2+ kontsentratsioon. Kui lihasrakul kästakse kokku tõmbuda, käivitab elektrisignaal puhkepotentsiaali kasutades sarkoplasmaatilise retikulumi. Seejärel on sektsioon võimeline avanema, vabastades rakku Ca2+ ioonid, mis seostuvad kiududega, mis võimaldavad lihase kokkutõmbumist.