In einer biologischen Membran ist das Umkehrpotential (auch als Nernst-Potential bezeichnet) eines Ions das Membranpotential, bei dem kein Nettofluss (insgesamt) dieses bestimmten Ions von einer Seite der Membran zur anderen stattfindet. Bei postsynaptischen Neuronen ist das Umkehrpotenzial das Membranpotenzial, bei dem ein bestimmter Neurotransmitter keinen Nettostromfluss von Ionen durch den Ionenkanal des Neurotransmitter-Rezeptors verursacht.
In einem Ein-Ionen-System ist das Umkehrpotenzial gleichbedeutend mit dem Gleichgewichtspotenzial; ihre Zahlenwerte sind identisch. Die beiden Begriffe beziehen sich auf unterschiedliche Aspekte der Differenz im Membranpotential. Gleichgewicht bezieht sich auf die Tatsache, dass der Netto-Ionenfluss bei einer bestimmten Spannung gleich Null ist. Das bedeutet, dass die Ionenbewegung nach außen und nach innen gleich schnell ist; der Ionenfluss befindet sich im Gleichgewicht. Umkehrung bedeutet, dass eine Änderung des Membranpotenzials auf beiden Seiten des Gleichgewichtspotenzials die Gesamtrichtung des Ionenflusses umkehrt.
Das Umkehrpotenzial wird oft als „Nernst-Potenzial“ bezeichnet, da es sich aus der Nernst-Gleichung berechnen lässt. Ionenkanäle leiten den größten Teil des Flusses einfacher Ionen in und aus den Zellen. Wenn ein Kanaltyp, der für eine Ionenart selektiv ist, in der Zellmembran vorherrscht (z. B. weil andere Ionenkanäle geschlossen sind), dann gleicht sich die Spannung innerhalb der Zelle dem Umkehrpotenzial für dieses Ion an (unter der Annahme, dass die Außenseite der Zelle 0 Volt beträgt). So liegt beispielsweise das Ruhepotential der meisten Zellen in der Nähe des Umkehrpotentials für K+ (Kaliumionen). Das liegt daran, dass beim Ruhepotenzial die Kaliumleitfähigkeit dominiert. Während eines typischen Aktionspotentials wird die geringe, durch Kaliumkanäle vermittelte Ruhe-Ionenleitfähigkeit durch die Öffnung zahlreicher Na+ (Natrium-Ionen)-Kanäle überwältigt, was das Membranpotential in Richtung des Umkehrpotentials von Natrium bringt.
Die Beziehung zwischen den Begriffen „Umkehrpotential“ und „Gleichgewichtspotential“ gilt nur für Ein-Ionen-Systeme. In Mehrionensystemen gibt es Bereiche der Zellmembran, in denen die Summe der Ströme der mehreren Ionen gleich Null ist. Dabei handelt es sich zwar um ein Umkehrpotential in dem Sinne, dass das Membranpotential seine Richtung umkehrt, aber nicht um ein Gleichgewichtspotential, da nicht alle (und in manchen Fällen auch keines) der Ionen im Gleichgewicht sind und somit Nettoflüsse durch die Membran stattfinden. Wenn eine Zelle signifikante Permeabilitäten für mehr als ein Ion aufweist, kann das Zellpotenzial anhand der Goldman-Hodgkin-Katz-Gleichung und nicht anhand der Nernst-Gleichung berechnet werden.