當男子因有關性內容的聽覺、視覺、嗅覺以及思維、想象等刺激興奮大腦皮層，並通過脊髓的胸腰段勃起中樞傳出，作用於陰莖海綿體後，就會使動脈血管擴張，大量血液流入陰莖海綿體;靜脈血管收縮，流出海綿體的血液減少時，血液便充分瀦留在海綿體內豐富的血管和血竇中，使陰莖迅速產生心理性勃起。
反之，當動脈血管收縮，流入陰莖海綿體的血液減少;靜脈血管擴張，瀦留在海綿體內的豐富血流迅速回流時，陰莖便恢復疲軟。
而外生殖器受到直接觸摸、走路摩擦等局部刺激或接受來自內部的對直腸和膀胱等的刺激時則可引起反射性勃起，這是通過刺激了脊髓中骶髓的低級勃起中樞激起它的性興奮後實現的。
陰莖勃起是天生就會的，男性胎兒在子宮內就可以勃起。
小男孩出生後排尿時也可能勃起變硬，有時躺在那兒撒尿可以使尿液像泉水一樣直直地噴射到大人臉上，常給正在換尿佈的父母帶來意外的笑聲和喜悅，但這時的勃起並無任何『性』的含義。
凡接受對生殖器本身的刺激都能引起反射性勃起，它們通過陰部神經和骶髓勃起中樞起調節作用。
這兩種心理和生理刺激既可單獨起作用，又可相互影響、共同卷入性活動之中。
例如當脊髓損傷發生在胸腰區域以上時，病人隻能在生殖器接受肉體刺激的情況下發生勃起，心理性勃起的能力消失。
當運動神經元損傷發生在胸腰區以下水平時，刺激生殖器不能引起勃起，而有24～57%的病人仍然出現心理性勃起，也就是說，心理性刺激可以通過胸腰途徑來傳遞。
當脊髓損傷發生在腰2～骶1時，心理性和反射性勃起都存在，但二者不能協調一致，通過生殖器刺激不可能達到射精高潮。
正常男子除了心理性勃起和反射性勃起外，還有一種夜間勃起，男子的睡眠總處於快動眼睡眠期和慢動眼睡眠期的交替中，也經歷著勃起──疲軟──再勃起──再疲軟的生理過程，這在醫學上稱為陰莖夜間勃起，是健康男性正常的生理過程。
一般來說，男子每晚都會有4～6次、每次20～40分鐘的勃起，總共勃起可達兩個半小時。
這是因為大腦在白天總要抑制性反應的發生，否則男子難免不時遇到尷尬局面，但到了熟睡之後，大腦的這種抑制功能消失，陰莖便自發出現勃起反應了，這是完全正常的，不必擔心。
夜間勃起的時間、頻率、硬度會隨年齡的增長而減少，而青春期至20歲左右是最強的。
無論是心理性還是反射性勃起，外來刺激解除之後，陰莖就很快恢復到常態。
夜間勃起也不例外。
陰莖勃起一段時間後肯定會自動疲軟下來，因為長時間讓血液滯留在海綿體內，血液就會缺氧並堆積大量代謝的廢物，這對組織是不利的，嚴重時還會發生壞死。
有一種陰莖異常勃起的病就是這樣，患者表現為陰莖4～6小時以上持續腫大、質硬、疼痛、顏色青灰，這是泌尿外科的急症，需盡快到醫院緊急處理。
所以陰莖並非整夜勃起，而必然是有張有弛的。
清晨勃起在臨床上是一種有意義的生理現象。
有的醫生專門研究過這種現象，發現男子在患病期間，清晨勃起會減弱或者消失;而身體康復之後，清晨勃起也會隨之恢復。
因此，清晨勃起現象可以作為男性健康狀況的參考指標。
清晨勃起的有無，也可以作為判斷男子性功能狀態的參考指標。