动作电位的传播机制主要依赖于细胞膜上的离子通道以及它们对不同离子的选择性通透。当神经元或肌肉细胞受到足够的刺激时，细胞膜上的电压门控钠离子通道会打开，导致钠离子快速内流，从而引起膜电位的迅速上升，形成动作电位的上升相。随着膜内部的正电荷增加到一定程度，这些钠离子通道会自动关闭，并且激活钾离子通道，使钾离子外流，这会导致膜电位下降，即动作电位的下降相。
在这个过程中，动作电位并不是在整个细胞膜上同时发生的，而是从受到刺激的地方开始，然后沿着细胞膜以波的形式向前传播。这种传播是由于前一个部位的动作电位导致局部电流（即带正电荷的离子移动）流向未兴奋的区域，当这些局部电流达到一定强度时，就能使该区域的电压门控钠通道打开，引发新的动作电位，如此循环下去，直到整个细胞膜都经历了去极化和复极化的过程。
此外，在有髓鞘的神经纤维中，动作电位是跳跃式传导的。这是因为髓鞘覆盖了大部分轴突表面，只在郎飞结处裸露出来。这样，在郎飞节点之间形成的局部电流强度较大，可以有效地触发下一个郎飞节点的动作电位，从而实现动作电位沿轴突快速而有效的传播。这种机制大大提高了信息传递的速度和效率。
