阴茎血管本身和血流的供应在阴茎勃起机制中占有极其重要的地位，因为阴茎勃起的本质是血管充血反应，这些血运系统出了毛病，当然会造成阴茎勃起不良。阴茎内动脉的分支有：位于阴茎背面白膜外的阴茎背动脉，沿阴茎海绵体走行的阴茎海绵体动脉，以及沿尿道海绵体走向的尿道腹侧的两条尿道球动脉。这些动脉的末端分支，即螺旋动脉终止于小毛细血管，后者又直接开口于海绵体腔。静脉回流有两条通路，浅表背静脉引流整个尿道海绵体(包括龟头和尿道球)的血液，深部背静脉引流阴茎海绵体血液。
　　三个海绵体腔行使阴茎勃起组织的功能，龟头和尿道海绵体提供体积，而一对阴茎海绵体提供硬度。由称为小梁的纤维和平滑肌索带将组织分隔成许多不规则的间隙，又称血窦，窦间隙表面覆盖有内皮。位于海绵体中央的窦隙较大，在阴茎高度充血时，直径可达1-9毫米，松弛时则为不明显的间隙。每个血窦都有深动脉和输出静脉与其直接相通，而深动脉与输出静脉之间还有直接的交通支，称为动静脉分流系统。在深动脉、输出静脉和动静脉短路的管壁上都存在瓣膜状平滑肌皱襞，受勃起神经调节。当神经冲动作用于该皱襞时，窦的深动脉完全开放，而输出静脉和动静脉交通支的管壁部分关闭，故入窦血量增多，导致海绵体的充盈及勃起。然后，血液由深静脉流出减少，并有选择地积聚在海绵窦内，海绵组织内的平滑肌松弛，血窦因充满血液而膨大，因而阴茎体积也明显增大，但白膜不会无限膨大，最后使勃起的阴茎达到所需要的硬度。在勃起中起主要作用的是动脉的作用，但阴茎内静脉血管瓣膜部分关闭并限制静脉血液回流也很重要。若血液排放系统关闭不全，静脉排放流量过大，勃起可以减退而形成阳痿。此外，动静脉交通支在勃起时不关闭也可造成阳痿。这种皱襞瓣膜组织于婴儿出生后2个月即已开始出现，自3岁起大量增加，这说明男性儿童能有勃起现象。新生儿阴茎勃起，纯属神经生理反应，不存在瓣膜问题。
　　射精后，由于腹下神经中的交感神经纤维兴奋，阴茎内动脉收缩，使窦深动脉壁平滑肌皱襞增厚，形成瓣膜样部分关闭，窦血流减少，输出静脉交通支完全开放，静脉回流增加，阴茎很快疲软。
　　阴茎像一个令人吃惊的天然液压机械装置，勃起与消退的生理反应，表现为一个器官在一定容量下呈现出的流入与流出的血液动力学变化。根据阴茎的大小，勃起时血容量的增加约为80-200毫升。阴茎勃起时，阴茎内动脉扩张，进入阴茎的血流量比松弛时大8倍之多。当达到120毫升/分时(海绵体内压增高至75毫米汞柱左右)引起勃起，而一旦勃起之后维持勃起的血流量只需原先灌注率的60%左右，或70毫升/分即可，这说明静脉没有完全关闭。若静脉完全关闭，只能引起阴茎水肿和发绀，而不是真正的勃起。在年轻人，勃起只需要5秒钟，而年长者可能需要6-7分钟之久。这说明人的体力、精力、心理与精神因素在年龄增长过程中，对性欲与阴茎勃起也有一定影响。
　　二、健全的神经反射
　　阴茎勃起是一种反射，来自许多感受器的神经末稍的刺激和条件反射刺激都能引起阴茎勃起反射。参与控制勃起功能的神经成分包括上至大脑皮层、下至阴茎血管壁神经肌肉终端的各级结构。如大脑皮质，有性功能中枢；间脑、下丘脑，有皮质下中枢；腰骶部脊髓内，有勃起和射精中枢，但胸腰部及骶中心也有协同作用，各中枢之间有密切联系，脊髓中枢又经感觉和运动神经与生殖器官相联系。
　　人的性活动是由一系列复杂的条件反射和非条件反射组成，并受到中枢神经系统高级部位的控制和支配，它们能提高或抑制性感。性欲和勃起本身亦是大脑综合了许多外界刺激后产生的，尤其是条件反射更为重要。后天性条件反射联系，可以使大脑皮质和高级感觉器官的刺激，如各种思维联想、回忆、视、嗅、听及其他感觉与非条件反射一样，引起大脑皮层性兴奋。同时，大脑皮层又参与着人类精神、情绪活动。因此，人类的各种精神和心理因素都会干扰大脑性活动中枢的正常反射过程。比如，国外有些人生长在严格的宗教背景的家庭中，从小接受的都是"性是万恶之源"、"性肮脏"等观念。他们成年后，这种观念仍牢牢存在其意识中，因而产生对性活动的恶性刺激或抑制反应，使性功能中枢的兴奋性降低，并导致性欲降低，甚至有些人的性功能还会出现这样或那样的问题。反之，所谓的性感区也可以说是条件反射造成的。如在洗澡等情况下，虽触摸身体的许多部位，但并没有产生性快感。而在两性接触中，经反复体验，才会感到心理上的舒服，这就逐渐构成动情区，使来自肉体的和心理的刺激，经过条件反射都能成为有效的性刺激。当然，心理作用，特别是情感，对动情区起着相当重要的作用。如果有感情的话，触摸动情区会引起快感；如果没感情，甚至怀有憎恨心理的话，即使以最诱人的刺激方式，对最敏感区域施加刺激，非但不能引起
　　快感，反而引起厌恶与恐惧。
　　凡来自大脑皮质的后天性条件反射的性兴奋，可以扩散到皮质下中枢和脊髓中枢而引起的阴茎勃起，称为心理性勃起。来自阴茎的刺激，引起勃起中枢兴奋后形成的勃起，称为反射性勃起。不论哪种勃起都由位于脊髓的勃起中枢发出指令，并通过神经来传递和撤销这种指令。
　　三、正常的内分泌功能
　　雄激素促使胎儿期性器官的分化和发育，更重要的是它在青春期后是性兴奋、勃起的关键因素之一。如因病导致雄激素缺乏时，病人丧失阴茎勃起能力而引起阳痿，当补充外源性雄激素后，则可恢复勃起能力，就说明了雄激素在勃起中的关键性作用。雄激素虽然不直接刺激性中枢，但可提高性中枢的兴奋性，使性中枢保持一定的反应能力，但雄激素如何影响成年期感觉神经尚未予以研究。有人提出生殖器官的皮肤有使睾酮转变为有活性的双氢睾酮的能力；另一些人则认为雄激素有使生殖器皮肤对触觉刺激敏化的作用。事实上，双氢睾酮并非性兴奋和勃起所必须，如5-α还原酶缺乏的患者，无双氢睾酮，但患者阴茎同样能勃起并进行性交。
　　睾酮的产生则受大脑、下丘脑的调节。大脑也是性甾体激素的一个靶器官。人类精神因素中的恶性刺激，通过高级神经中枢可以干扰和影响下丘脑的内分泌调节中枢，使得人体血循环中维持男性性功能的雄激素水平经常处于不平衡状态，这也是导致精神性阳痿的原因之一。
　　人们还注意到睾酮水平明显低下时，常伴有性欲低减和阳痿，而补充睾酮后症状又可得到缓解。但激素和性行为之间的确切关系仍不明确。
　　四、正常的解剖结构
　　阴茎正常的生理解剖结构是其勃起的物质基础。如因遗传或激素水平的原因，外生殖器不发育、阴茎严重畸形、睾丸纤维化、睾丸畸形、睾丸严重外伤或切除等原因，阴茎均不能勃起。而在严重包茎、重度精索静脉曲张、阴囊鞘膜积液、阴囊象皮肿等情况下，受心理及肉体方面原因的影响，也能影响阴茎勃起机制。另外，如有外生殖器畸形的成年男性怀有性表现的恐惧心理，有意识回避性生活，长此下去会造成阳痿。