Bei der neuromuskulären Synapse handelt es sich um eine Acetycholin führende Synapse mit einer Muskelzelle als Zielzelle. Doch bevor der Ablauf erklärt werden kann, müssen einige Besonderheiten und Begriffe geklärt werden. Viele Zellorganellen der Muskelzelle haben andere Namen. Sie beginnen meist mit der Vorsilbe „Sarko-“. So heißt die Zellmembran „Sarkolemm“ und das endoplasmatische Retikulum „sarkoplasmatisches Retikulum“ (SR). Eine Muskelzelle besitzt außerdem einige Charakteristika, die für die Ausbreitung des Membranpotentials wichtig sind. Zum einen ist das Sarkolemm an der Stelle der Synapse sehr stark aufgefaltet, was zur Oberflächenvergrößerung dient. Außerdem besitzt die Zelle viele querverlaufende, röhrenförmige Einstülpungen, die sogenannten transversalen Tubuli (T-Tubuli).

Zunächst ist der Ablauf wie bei einer „normalen“ Acetylcholin führenden Synapse: Aktionspotentiale treffen am Endknöpfchen der Nervenzelle ein und depolarisieren dieses. Dadurch öffnen sich die Kalzium-Kanäle, sodass Kalzium in das Endknöpfchen strömt. Dies bewirkt wiederum das Verschmelzen der Vesikel mit der präsynaptischen Membran, sodass Acetylcholin in den synaptischen Spalt abgegeben wird.

Der synaptische Spalt ist an der motorischen Endplatte durch die Faltungen vergrößert. Die postsynaptische Membran besitzt durch die Faltung eine wesentlich größere Zahl an Ionenkanälen als eine Synapse zwischen zwei Neuronen. An Muskelzellen befinden sich sogenannte nikotinische Acetycholinrezeptoren. Diese sind unspezifische Kationenkanäle, durch die sowohl Kalzium- als auch Natrium- und Kalium-Ionen strömen.

Bindet nun Acetylcholin an diese Rezeptoren, so strömen vor allem Kalzium und Natrium in die Muskelzelle. Das Membranpotential wird positiver und breitet sich rasch über das Sarkolemm aus. Dieses reicht durch die T-Tubuli bis weit in die Zelle hinein und besitzt durch diesen ebenfalls engen Kontakt zum sarkoplasmatischen Retikulum. Dieses dient als Kalziumspeicher. Das veränderte Membranpotential bewirkt nun am SR die Ausschüttung von Kalziumionen in die Zelle, was zur Kontraktion der Muskelzelle führt. So kann die Information für eine Bewegung, über eine Nervenzelle geleitet, letzten Endes den Muskel gezielt kontrahieren lassen.