Hiperpoliarizacija atsiranda, kai elektrinio potencialo skirtumas tarp dviejų ląstelės membranos pusių labai pasikeičia, todėl membranoje susidaro didelis elektrinis potencialas. Konkrečiai, elektrinio potencialo vertė per membraną tampa neigiama, o tai reiškia, kad ląstelės membranos viduje esantis krūvis yra neigiamas nei krūvis membranos išorėje. Šis procesas dažniausiai stebimas neuromoksle, nes neuronai aktyvuojami per procesus, susijusius su elektrinio potencialo pokyčiais. Hiperpoliarizacijos priešingybė yra depoliarizacija, kai ląstelės potencialas tampa labiau teigiamas, o tai reiškia, kad ląstelės membranos viduje yra žymiai mažiau neigiamo krūvio.
Elektrocheminiai procesai paprastai yra atsakingi už hiperpoliarizaciją tarp ląstelių membranų. Įvairių cheminių medžiagų koncentracijos skirtingose membranos pusėse gali sukelti elektros potencialo atsiradimą membranoje. Paprastai, kai elektrinis potencialas pasiekia tam tikrą tašką, prasidės koks nors biologinis procesas, pavyzdžiui, sudegs neuronas. Po šio taško membrana linkusi grįžti į savo ramybės potencialą arba elektrinį potencialą prieš bet kokius dirgiklius, sukėlusius elektrocheminį įvykį. Neuronuose šis procesas vyksta nuolat; dirgikliai sukelia poliarizaciją virš membranos, o kai šios poliarizacijos laipsnis peržengia tam tikrą slenkstį, neuronas užsidega ir grįžta į savo ramybės potencialą.
Neuronas nešaudys tol, kol jo elektrinis potencialas neperžengs tam tikros slenksčio. Pasiekus slenkstį, elektrinis potencialas smarkiai padidėja, todėl neuronas gali siųsti elektros signalą į kitas kūno dalis. Hiperpoliarizacija atsiranda po šio potencialo šuolio; elektrocheminis potencialas trumpam tampa neigiamas, nukrenta žemiau ramybės potencialo, prieš grįžtant į ramybės potencialą. Paprastai šis hiperpoliarizacijos etapas trunka tik trumpą sekundės dalį.
Hiperpoliarizacija ir elektriniai potencialai per membranas apskritai yra susiję su elektronų perkėlimu jonais. Jonas yra atomas, turintis teigiamą arba neigiamą krūvį. Kalio ir chloro jonai dažniausiai dalyvauja elektrocheminiuose potencialuose; jų santykinės koncentracijos lemia elektrocheminio ląstelių potencialo dydį. Ramybės stadijoje kalis yra ląstelių membranoje; veikiant dirgikliui, kalis išbėga ir per membraną į ląstelę patenka neigiami chloro jonai. Kartais natrio ir kalcio jonai taip pat sukelia elektrocheminį ląstelių potencialą per ląstelių membranas.