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神经纤维的兴奋性只提示神经纤维有发生兴奋的可能性。这种可能性变为现实有赖于刺激。刺激是使神经纤维发生兴奋的内外环境的变化。这种变化可以是机械的、物理的、化学的，即神经冲动或兴奋可由机械的、物理的、化学的刺激引起。
在整体内，或者是刺激感受器，或者由前一级神经元的兴奋性活动，构成生理性刺激。按照局部电流学说，当神经冲动沿着神经纤维扩布时，神经冲动本身就是刺激，也就是说实质上，神经组织本身沿着神经纤维的逐个兴奋点形成电刺激。
在实用上，电刺激是最适宜的人工刺激。它的性质可以很好地加以描述，可以精确地控制，施行方便，并且即使在短时间内亦可给予重复刺激，其刺激作用又是完全可逆的。因此在研究神经冲动时，几乎无例外地应用电刺激。
神经纤维的兴奋一方面决定于组织本身的功能状态，另一方面决定于刺激的参数。各种刺激，无论是电流的、机械的、温度的或化学的都具有强度与时间的特征。
在刺激强度方面，为了引起轴突兴奋，刺激强度必须达到一定的数值，称为阈值或阈强度。相应的，这种强度的刺激称为阈刺激。电的阈刺激实际上是刚好使膜去极化达到阈水平的电流。
不能引起纤维发生可传播的冲动，或者说，不能使膜去极化达到阈水平的刺激，称为阈下刺激。超过阈值的刺激称为阈上刺激。
在生理情况下，神经冲动本身都是邻近的未活动区域发生冲动的阈上刺激。由一个动作电位引起的电位差比在邻近点产生一个神经冲动所需要的要大好几倍。这样就有很大的安全系数，以便在不利条件下仍能传导。
刺激除具有强度阈值的特征外，还有时间阈值的特征。刺激不只要求一定的强度，还要求一定的作用时间。因而，实际上刺激电流的阈强度决定于它的波宽。
要产生一个冲动，所用的刺激脉冲愈短，所需要的刺激强度愈大；而刺激强度愈小，则所需要的刺激时间愈长。阈刺激的强度与它的持续期的关系曲线叫作强度-持续期曲线。
强度-持续期曲线接近于等边的双曲线。它的特点是其两边逐渐地分别成为横坐标与纵坐标的平行线。
曲线的一端与横坐标的平行线意味着，当刺激时间超过一定限度时，时间因素实际就不再影响强度阈值。或者说，无论刺激时间如何的长，有一个最低的基本强度阈值，称为基强度，低于基强度的刺激一律无效。当用基强度刺激时，引起兴奋的最有效时间称为利用时。时值即为二倍基强度的电流产生兴奋所需的时间长度。
曲线另一端如加以引申，亦将成为与纵坐标平行的线。这意味着，无论刺激强度如何的大，有一个最短的基本时间阈值。短于此时间阈值的刺激也一律没有兴奋作用。
在上述两极之间，刺激的强度因素与时间因素是密切联系的。缩短刺激时间必须增加刺激强度；降低刺激强度必须延长刺激时间，方能引起兴奋。因而强度-持续期曲线上的任何一点代表一个具有一定强度与时间特征的阈刺激。
兴奋不仅决定于刺激的强度，也决定于强度在时间上的变化速度。强度变化率越快，刺激作用越强。在强度变化率中含有时间因素。
直流电通电与断电时，电压的改变成方形波。电压立即上升到一特定强度后立即下降到零，这种非常迅速的电压变化是最有效的刺激。假如电压逐渐上升，即使电流强度达到阈值的3～5倍，也可能不产生兴奋。同样，缓慢地使电压下降至零，亦不出现兴奋。这均与神经纤维的适应有关。
除上述外，刺激还必须作用于神经纤维的一定空间，即必须使一段起码长度的神经纤维产生兴奋，冲动才能得以传播。
在使用交流电时，尚须有适宜的频率，才能引起兴奋。频率太低，强度变化率太小；频率太高时，每周的持续期太短，二者均不足以引起兴奋。兴奋哺乳动物神经的适宜频率约为100周/s。
刺激的作用，包括电刺激的作用，仅仅是通过降低膜电位来触发神经纤维，使其进入活动状态。刺激一旦达到足以使膜电位降至临界阈限的强度时，刺激强度的任何额外增加，对动作电位的振幅都不会有影响。
大部分神经纤维电兴奋的研究是使用直流电。膜电位是通过与纤维接触的两个电极间通一电流来降到阈限数值。
由于神经纤维的电缆性质，电流大部分是经过低电阻的细胞间液，从阳极流到阴极，因而只能间接地影响膜电位。但是，有一部分电流通过阳极下面及其附近的膜流入膜内，经过轴浆，而从阴极下面及其附近的膜流出膜外。这种通过膜的电流对膜电位有显著影响。因为膜具有电阻，当电流通过电阻时，电阻两端存在着电压差。
在阴极处，电流通过膜而流出，电位降为（内为正，外为负）与静息膜电位（内为负，外为正）符号相反，因而使膜电位减小，膜处于低极化或去极化状态。在阳极处，电流通过膜流入，而使膜电压增加，膜处于超极化状态。
通过膜流入与流出的电流，在阳极与阴极的正下方，即神经纤维与电极相接触处，密度最大，并按指数曲线的方式向两旁减小。这种由于一股电流而发生的，沿神经纤维纵的方向扩散的电流，称为电紧张。在阳极下电流进入轴突处发生阳极电紧张；而在阴极下电流离开轴突的部位发生阴极电紧张。在刺激电流中断后，电紧张电位亦随时间呈指数式消失。
电紧张不同于神经冲动。电紧张没有不应期、不服从全或无规律、在一定范围内随刺激强度而增强以及具有空间与时间衰减等特征表明，它是有别于动作电位的物理过程。
当施加的电流为阈下强度时，阴极下神经纤维的变化只是兴奋性增高，但若通过膜的电流足以使膜电位减小到阈限时，动作电位即在此处开始。相反，在阳极处，由于超极化，则该处的兴奋性（引起动作电位的容易程度）降低。
以上讨论的是恒定电流在接通时的作用。接通时兴奋发生于阴极，因为阴极处的神经膜发生了去极化。与此同时，阳极部位的极化加深，电荷过剩。当电流断开时，阳极部位过剩的电荷消失了，膜的去极化状态由超极化倒退到静息水平。这种局部极化状态的消退相当于去极化，可以当作恒定电流断开时，阳性部位可以发生兴奋的原因。与此相应，断电时，阴极部位的去极化减弱，兴奋性有所降低（阴极后阻抑）。
在生理学上，将通电时兴奋发生在阴极部位，断电时兴奋发生在阳极部位的现象，称为极性刺激。通常，通电的刺激作用大于断电刺激。而在电流持续通过轴突的全部时间内，对神经纤维并无兴奋作用，因为神经纤维已经适应于持续的刺激。