男性阴茎的勃起是一个非常复杂的生理学过程，支配阴茎的副交感神经兴奋以后，供应阴茎的动脉血管会出现扩张，使机体内更多的血液进入阴茎的海绵体。同时阴茎海绵体平滑肌会出现松弛，以容纳更多的血液，使海绵体胀大。另外，膨胀的阴茎海绵体会压迫周围的静脉丛和白膜，阻止血液流出阴茎，使血液储存在阴茎中，从而造成阴茎海绵体压力增加，阴茎变硬。
阴茎勃起的程度取决于动脉流入血量和静脉流出血量之间的平衡，当动脉流入量与静脉流出量平衡时，阴茎处于松弛状态。当动脉流入量增加，而静脉的流出量减少时，阴茎由于血流量增加而处于勃起的状态。