阴茎本身主要是由3条并排的、与它的走向相同的圆柱形组织组成，其中两条大的在上面，这就是所谓的阴茎海绵体；一条小的在下面，称为尿道海绵体，尿道就隐藏在其中；而在这3道柱状组织外面，紧紧包覆了一层有弹性的皮肤。一旦接触到实质上的刺激，或者思想上受到刺激，随着神经发生反应，柱状组织外壁的数百万微小括约肌便会张开，大量血液就会涌入，从而充满在无数的海绵窦中。当这些袋状的海绵窦全部充胀满以后，静脉受到柱状组织的挤压，就会变扁，从而使血液无法外流，使阴茎充血，这时阴茎内就会装满相当于平时8倍量的血液，造成硬挺、高耸的勃起现象——当然，我们所说的这一切都是在理想状态之下发生的。
实际上，阴茎勃起是男性性亢奋基本过程中最显著的一环。所谓的基本过程是指阴茎血管充血的过程，女性生殖器及乳房也会充血。女性阴蒂及周围多层的阴唇在这个过程中也同样会勃起，虽然阴蒂勃起照样会带来乐趣，但其勃起的显著程度却无法与男性阴茎勃起相比。
尽管男性勃起的生理机制至今尚存在某些疑点，但大多数专家仍同意如下意见：
由于阴茎周围神经的性质不同，勃起的启动也有两种方式：一是身体的接触，即所谓的反射性勃起；二是情欲思想，即所谓的精神性勃起。就像一个人无法控制性亢奋那样，勃起也不是能够随心所欲的，无论怎么努力都毫无用处。但是这不能归咎于个人的失败，而是感觉神经和运动神经的作用使然。