阴茎由3条长形海绵体组成，包括位于背侧的2个阴茎海绵体和位于腹侧的1个尿道海绵体(尿道穿过其间)。阴茎海绵体是勃起组织，特别是海绵体窦和动脉壁的平滑肌。包绕阴茎的组织由表及里依次为皮肤、阴茎浅筋膜、阴茎深筋膜和白膜。为了能有效地发挥作用，这些筋膜必须在阴茎勃起时有高度的坚硬度与中轴力量，而在阴茎疲软时变得柔软;这些筋膜层在勃起时必须对称地延长及增加周径，并形成一个直的勃起。白膜结构复杂，内层纤维呈环形，外层呈纵形。一个健全白膜的胶原纤维与其下层的弹性纤维有密切的关连，才能进行正常的强有力的性反应的一面及柔软的另一面。多层次的筋膜排列可使一层筋膜在另一层上滑动，这样就可以勃起时阻止静脉血液外流。正常情况下，这种阻塞机制与平滑肌小梁及小动脉松弛是同时进行的，这样才能使大量动脉血流入，将海绵体窦隙扩大，使白膜下的小静脉受压。另外白膜筋膜层互相滑动使导静脉阻塞，减少阴茎静脉血外流而有助于形成一个完全坚硬的勃起。

需要弄清楚的是：由于包绕阴茎海绵体的白膜厚韧致密，包绕尿道海绵体的白膜较薄，在阴茎勃起时硬度较差，但更富于弹性。由于阴茎头无被膜、尿道海绵体及阴茎头在勃起时只发生体积的扩张，不会像阴茎海绵体那样因为具有厚韧的白膜而提供勃起时所具有的硬度，所以阴茎头在勃起时也是很软的。有些男士把双方性不满足的原因归咎于阴茎头不硬，甚至说过去一直很硬，现在不硬了，这是一种误解。认清在阴茎海绵体、尿道海绵体和阴茎头之间存在的被膜及内部结构的差别，就可以理解它们的功能差异和在勃起中的不同表现。

引起阴茎勃起有3个主要因素：心理性勃起、反射性勃起和夜间勃起。由大脑皮质的刺激所引起的称心理性勃起;由阴茎局部的刺激产生的称反射性勃起。

心理性勃起是听、嗅、视、味、触觉或思维想像等刺激兴奋大脑皮质中枢，并通过脊髓胸腰段勃起中枢由交感神经传出，也可通过脊髓骶段勃起中枢由副交感神经传出，支配勃起组织。反射性勃起则来自生殖器的外感受器刺激及来自内脏器官(包括直肠和膀胱)的内感觉器刺激，通过阴部神经传入，经骶部副交感神经传出支配勃起组织。心理性刺激和反射性刺激常协同作用，但也可各自独立作用。从另一方面，心理性刺激可抑制及阻碍反射性勃起(此为中枢性交感神经张力增高)。胸腰段中枢主要负责心理性勃起，而骶段中枢则对两种勃起都起反应。

对夜间阴茎勃起，早在本世纪40年代，和就曾相继描述过婴儿与成人在睡眠时阴茎可发生勃起的生理现象，此是潜意识的阴茎活动的客观表现。1970年，首先利用夜间阴茎勃起的生理现象来鉴别心理性阳痿，即所谓夜间阴茎胀大试验。最近的研究表明，夜间阴茎勃起可能与睡眠所处的阶段有关。人们发现在8小时睡眠过程中，每2小时为1个单位，发生浅睡眠(眼球快速运动)和深睡眠(脑波缓慢)2个过程，有4次反复。浅睡眠为20分钟～25分钟，深睡眠约90分钟。进入浅睡眠时，可发生阴茎勃起。因此，有规律性睡眠的男子每晚约出现阴茎勃起4次～6次，每次可持续25分钟～30分钟。如果清晨在浅睡眠状态下醒来，即可发生所谓的”清晨勃起”。

因此，阴茎勃起是一个复杂的神经血管反应，除需要3个血液动力学协调(增加动脉血流、海绵体窦平滑肌松弛和减少阴茎静脉回流)外，尚需神经、神经递质、平滑肌及白膜的参与，在神经递质的调控下，阴茎动脉和海绵体平滑肌松弛、动脉和海绵窦扩张、动脉血流入量增加、静脉流出量减少，阴茎勃起以利于性交;射精后由于阴茎动脉及海绵窦收缩，白膜下静脉丛开放，血液流入导静脉，阴茎则疲软，这就是阴茎勃起与疲软的机理所在。任何影响勃起的心理因素(如各种心理创伤、夫妻关系或人际关系不协调、性生活场所不适当等)和各种器质性因素(血管性、神经性、内分泌性、药物以及烟酒等)均可造成勃起不能，即阳痿。