阴茎海绵体由平滑肌细胞和结缔组织构成海绵体小梁，阴茎海绵体神经含有交感和副交感两种成分，前者来自脊髓T ₁₁到L ₂，后者来自脊髓S _2～4，刺激骶部副交感神经阴茎可胀大，刺激胸腰部交感神经则阴茎疲软。阴茎背神经传递阴茎体和阴茎头皮肤以及尿道和海绵体内的感觉。

阴茎勃起是一个复杂的心理-生理过程，本质是一系列神经血管活动。副交感神经兴奋，阴茎海绵体内小动脉及血管窦的平滑肌细胞舒张，海绵体血管窦扩张，动脉血流量增加，阴茎海绵体充血胀大。胀大的阴茎海绵体压迫白膜下的小静脉，使静脉流出道关闭，盆底肌的收缩也可压迫海绵体，使之进一步胀大、坚硬而产生勃起。交感神经兴奋，小动脉及血管窦的平滑肌细胞收缩，海绵体压力下降，静脉开放，阴茎开始疲软。因此，平滑肌舒张、动脉血流量血流速度及静脉血流出阻力是阴茎勃起的三个要素。

阴茎海绵体内小动脉及血管窦的平滑肌细胞舒张时，大脑或阴茎局部接受性刺激，从下丘脑或骶髓低级中枢发出冲动，神经冲动传至阴茎海绵体，副交感神经神经末梢及血管内皮细胞在一氧化氮合酶（NOS）的催化下合成释放一氧化氮（NO）增多，NO进入平滑肌细胞内，激活鸟苷酸环化酶（GC），使平滑肌细胞内的cGMP增多，后者激活蛋白酶K，作用于钙离子通道，使细胞内钙离子浓度降低，平滑肌细胞舒张。阴茎海绵体平滑肌内的cGMP由磷酸二酯酶5（PDE ₅）降解成GMP而失去活性。

除NO外，与平滑肌舒张、阴茎勃起相关的物质还包括乙酰胆碱、血管活性肠肽、降钙素基因相关肽、PGE ₂、cAMP等；与平滑肌收缩、阴茎疲软相关的物质有去甲肾上腺素、内皮素、PGF _2α等。

男性的阴茎勃起中枢多位于大脑的边缘系统。边缘系统是围绕脑干的嗅脑的一部分，包括嗅区、杏仁核、海马回及扣带回。这些神经核又都与丘脑、下丘脑及皮质上组织的许多区明显有相互联系。刺激上述区域可使阴茎产生勃起。

当大脑皮质接受性刺激后，输出冲动就会传到脊髓。从下丘脑前部传来的冲动投射到脊髓神经的骶段中枢，从丘脑后部来的冲动则通过中脑被盖投射到脊髓胸腰段中枢。副交感神经纤维从骶髓S ₂～S ₄离开脊髓前根经盆神经支配阴茎。交感神经纤维从胸 ₁₂至腰 ₃经腹神经丛支配阴茎。所以阴茎受交感肾上腺素能神经及副交感神经胆碱能纤维的双重支配。

阴部神经为体神经系统，起于骶髓 _2～4，含感觉、运动及节后交感神经纤维，分支为痔下、会阴及阴茎背神经。阴茎背神经进入泌尿生殖膈的后缘，支配球海绵体肌及坐骨海绵体肌，再进入泌尿生殖膈下筋膜后分支，支配阴茎海绵体、尿道海绵体及尿道，再于阴茎悬韧带间向前在阴茎背面分支，支配皮肤、包皮及龟头。阴茎中有丰富的感觉受体，通过阴部神经将冲动传至骶髓，与副交感传出神经连接而引起阴茎勃起发生。

勃起由大脑皮质受刺激所引起者称为精神性勃起；由阴茎局部的有效刺激所产生的称反射性勃起。精神性刺激和反射性刺激常协同作用而产生勃起，但也可各自独立发挥作用。精神性刺激常可潜意识地抑制及阻碍反射性勃起。胸腰段中枢主要负责精神性勃起，而骶段中枢则对这两种勃起都起反应。

射精第一步由交感神经传出冲动引起输精管和精囊腺平滑肌收缩，从而将输精管和精囊腺中精液移送至尿道；第二步借助于阴部神经的传出冲动，使阴茎海绵体根部横纹肌收缩，从而将尿道内精液射出。脑的高级部位的兴奋通过下行途径，对脊髓的勃起中枢与射精中枢亦起作用。正常人性兴奋刺激来自各种感官通过大脑影响脊髓反射活动。

射精是包括勃起、发射、射精和性高潮的一个复杂过程。勃起是由于阴茎的肿胀、变硬，它的初级神经支配是来自骶神经丛和骨盆内脏神经或勃起神经。发射是包括射精前收集精液并将其运送至尿道的前列腺部，随着膀胱颈和远侧尿道括约肌的闭合，尿道的前列腺部变成了一个蓄精池。这将诱发射精，即精液通过尿道有节律地射出，这个过程中会阴部骨骼肌的参与是必不可少的。性高潮是一种大脑参与的，通常是愉悦的事情而且是与射精紧密相连的。

射精的神经生理学仅有部分被了解。研究表明多巴胺能系统促进射精而血清素激活系统抑制射精。射精的主要神经机制是躯体的神经支配，但也包括阴部来自自主神经系统的神经和纤维；副交感神经的自主神经分支主要控制勃起功能而交感神经和躯体的神经分支主要控制发射和射精。

在性交过程中，女性从性欲开始被唤起到性交结束的重新平复，遵循着一个不同阶段的周期性规律，这个规律就是性反应周期，它包括兴奋期、持续期、性高潮期和消退期。

女性性功能的神经学基础尚不十分清楚，但目前认为女性性功能是由三级神经中枢调节的。第一级中枢，也就是性功能的初级中枢，位于脊髓低段，亦称脊髓中枢，通过体干神经和交感、副交感神经支配外、内性器官，参与性兴奋和性行为的调节；第二级中枢，是位于下丘脑和后脑的皮质下中枢，主要通过分泌促性腺激素释放激素而调节性功能；第三级中枢，是位于大脑皮质的边缘系统，特别是隔区和有关的结构中，是性功能调节的最高中枢。

女性内分泌是通过下丘脑-垂体-卵巢轴的调节而使生殖器官发生周期性变化，并影响性功能。

下丘脑分泌的促性腺释放激素作用于腺垂体，使之合成和释放促卵泡素和促黄体素（黄体生成素）。在少量促黄体素的参与下，促卵泡素使卵巢中的卵泡发育成熟并分泌雌激素。在雌激素的作用下，子宫内膜发生增殖期变化。雌激素的分泌量在排卵前达到第一高峰，并对下丘脑-垂体产生正负反馈。正反馈是促使垂体释放促黄体素，负反馈是抑制促卵泡素的释放。当促黄体素释放达到高峰时，在促卵泡素的参与下触发卵巢排卵，并使破裂的卵泡形成黄体。黄体分泌孕激素和雌激素，由于孕激素的作用使子宫内膜变成分泌期。随着孕激素和雌激素分泌的增加达到高峰，对下丘脑-垂体起抑制作用（负反馈），从而使垂体释放的促卵泡素和促黄体素下降。于是，黄体萎缩，孕激素和雌激素的分泌随之下降，因而子宫内膜难以维持而脱落形成月经。由于孕激素和雌激素的下降，解除了对下丘脑-垂体的抑制，而垂体又重新释放促卵泡素，新的卵泡又开始发育，新的周期又开始了。近些年的研究证明，下丘脑一些神经元释放促性腺释放激素受到脑组织某些神经元释放的单胺类（如多巴胺等）神经介质的控制，而那些释放单胺类神经介质的神经元又受到更高级的神经中枢的影响，如大脑精神活动的影响。另外，垂体还分泌生乳素，它协同雌、孕激素并促进乳房的发育与分泌，并受下丘脑的控制；卵巢也分泌少量的雄性激素，并可以转化为雌激素而发挥雌激素的作用，并可以引起阴蒂的增大等。