Atât potențialele postsinaptice inhibitorii (IPSPs), cât și potențialele postsinaptice excitatoare (EPSPs) sunt însumate în axon hillock și, odată ce este depășit un prag de declanșare, un potențial de acțiune se propagă prin restul axonului (și „înapoi” spre dendrite, așa cum se observă în cazul retropropagării neuronale). Declanșarea se datorează unei reacții pozitive între canalele de sodiu cu voltaj foarte aglomerat, care sunt prezente la densitatea critică la nivelul cocoașei axonului (și a nodurilor ranvier), dar nu și în soma.
În starea de repaus, un neuron este polarizat, cu interiorul său la aproximativ -70 mV în raport cu mediul înconjurător. Atunci când un neurotransmițător excitator este eliberat de neuronul presinaptic și se leagă de spinii dendritici postsinaptici, canalele ionice cu ligand-gat se deschid, permițând ionilor de sodiu să intre în celulă. Acest lucru poate face ca membrana postsinaptică să fie depolarizată (mai puțin negativă). Această depolarizare se va deplasa spre colina axonului, scăzând exponențial odată cu timpul și distanța. În cazul în care mai multe astfel de evenimente au loc într-un timp scurt, cocoașa axonului poate deveni suficient de depolarizată pentru a permite deschiderea canalelor de sodiu deschise la tensiune. Acest lucru inițiază un potențial de acțiune care se propagă apoi în josul axonului.
Pe măsură ce sodiul intră în celulă, potențialul membranei celulare devine mai pozitiv, ceea ce activează și mai multe canale de sodiu din membrană. Afluxul de sodiu depășește în cele din urmă efluxul de potasiu (prin intermediul canalelor de potasiu cu două domenii de pori sau a canalelor de scurgere), inițiind o buclă de reacție pozitivă (faza de creștere). La aproximativ +40 mV, canalele de sodiu portate de tensiune încep să se închidă (faza de vârf) și canalele de potasiu portate de tensiune încep să se deschidă, deplasând potasiul în josul gradientului electrochimic și în afara celulei (faza de scădere).
Canalele de potasiu prezintă o reacție întârziată la repolarizarea membranei și, chiar și după atingerea potențialului de repaus, o parte din potasiu continuă să iasă, rezultând un fluid intracelular care este mai negativ decât potențialul de repaus și în timpul căruia nu poate începe niciun potențial de acțiune (faza de underhoot/perioada refractară). Această fază de undershoot asigură faptul că potențialul de acțiune se propagă în josul axonului și nu înapoi în susul acestuia.
După ce acest potențial de acțiune inițial este inițiat, în principal la nivelul cocoașei axonului, acesta se propagă pe lungimea axonului. În condiții normale, potențialul de acțiune s-ar atenua foarte repede din cauza naturii poroase a membranei celulare. Pentru a asigura o propagare mai rapidă și mai eficientă a potențialelor de acțiune, axonul este mielinizat. Mielina, un derivat al colesterolului, acționează ca un înveliș izolator și se asigură că semnalul nu poate scăpa prin canalele ionice sau de scurgere. Cu toate acestea, există goluri în izolație (noduri de ranvier), care sporesc puterea semnalului. În momentul în care potențialul de acțiune ajunge la un nod de Ranvier, acesta depolarizează membrana celulară. Pe măsură ce membrana celulară este depolarizată, canalele de sodiu portate de tensiune se deschid și sodiul se precipită înăuntru, declanșând un nou potențial de acțiune nouț.
.