随着医学界对阴茎勃起的血流动力学、神经生理学、分子生物学等深入研究及检查和实验手段的开展，目前对阴茎勃起的机制有了更多的了解。

通常认为阴茎勃起是在神经、内分泌及心理效应等综合调控下所产生的血流动力学变化的结果，是男性对有效性刺激的第一个生理反应，即性反应的主要标志。

性刺激作用于视觉、听觉、嗅觉、触觉和幻想后，中枢神经系统发生性冲动，由骶髓中枢协调，经外周神经传到阴茎，或由刺激外生殖器，经阴茎骶髓反射弧，使副交感神经兴奋，神经末梢纤维释放神经递质，作用于血管内质细胞和平滑肌细胞，导致海绵体平滑肌松弛，动脉血供大增，血液大量流入阴茎海绵窦，使阴茎增大而沟通海绵窦与阴茎的背静脉和白膜下静脉逐渐受压，致使静脉完全闭锁，海绵体内压达到甚至超过躯体动脉压，产生坚硬勃起。

有资料表明，平常阴茎松弛情况下，每分钟每 100 克阴茎海绵体中仅有 1.4～4.0 毫升血液通过，而勃起时每分钟进入阴茎的血液达 42～119 毫升，勃起时的血容量可达 80～200 毫升，此时海绵体内压可高达 300 毫米汞柱以上。除了阴茎动脉血供的增加、静脉血流受阻、海绵体内压升高外，环绕阴茎根部的骨盆肌肉和球海绵体肌收缩也可减少静脉血回流。简而言之阴茎勃起的过程就是流入阴茎的血流大增，而流出阴茎的血流减少甚至暂停所致的结果。

阴茎勃起时阴茎血流动力学的改变是受中枢神经系统的高级部位，包括边缘系统及大脑皮质、皮质下中枢，通过下丘脑垂体性腺轴调节和控制，将冲动向下传递，使神经纤维释放神经递质，作用于血管内皮细胞和平滑肌细胞来调节的。目前研究发现，副交感神经末梢释放乙酰胆碱，使血管内皮细胞及非肾上腺素非胆碱能神经元释放氧化亚氮，刺激激活鸟苷酸环化酶，使海绵体内三磷酸鸟苷转化为环磷酸鸟苷，环磷酸鸟苷水平增加，打开了平滑肌细胞的钙离子通道，使得海绵体平滑肌松弛，大量血液进入阴茎动脉和海绵窦间隙，形成阴茎勃起。