男性的陰莖勃起中樞多位于大腦的邊緣系統(tǒng)。邊緣系統(tǒng)是圍繞腦干的嗅腦的一部分，包括嗅區(qū)、杏仁核、海馬回及扣帶回。這些神經(jīng)核又都與丘腦、下丘腦及皮質(zhì)上組織的許多區(qū)明顯有相互聯(lián)系。刺激上述區(qū)域可使陰莖產(chǎn)生勃起。
當大腦皮質(zhì)接受性刺激后，輸出沖動就會傳到脊髓。從下丘腦前部傳來的沖動投射到脊髓神經(jīng)的骶段中樞，從丘腦后部來的沖動則通過中腦被蓋投射到脊髓胸腰段中樞。副交感神經(jīng)纖維從骶髓Ｓ２～Ｓ４離開脊髓前根經(jīng)盆神經(jīng)支配陰莖。交感神經(jīng)纖維從胸１２至腰３經(jīng)腹神經(jīng)叢支配陰莖。所以陰莖受交感腎上腺素能神經(jīng)及副交感神經(jīng)膽堿能纖維的雙重支配。
陰部神經(jīng)為體神經(jīng)系統(tǒng)，起于骶髓段的２～４，含感覺、運動及節(jié)后交感神經(jīng)纖維，分支為痔下、會陰及陰莖背神經(jīng)。陰莖背神經(jīng)進入泌尿生殖隔的后緣，支配球海綿體肌及坐骨海綿體肌，再進入泌尿生殖隔下筋膜后分支，支配陰莖海綿體、尿道海綿體及尿道，再于陰莖懸韌帶間向前在陰莖背面分支，支配皮膚、包皮及龜頭。陰莖中有豐富的感覺受體，通過陰部神經(jīng)將沖動傳至骶髓，與副交感傳出神經(jīng)連接而引起陰莖勃起發(fā)生。
勃起由大腦皮質(zhì)受刺激所引起者稱為精神性勃起；由陰莖局部的有效刺激所產(chǎn)生的稱反射性勃起。精神性刺激和反射性刺激常協(xié)同作用而產(chǎn)生勃起，但也可各自獨立發(fā)揮作用。精神性刺激常可潛意識地抑制及阻礙反射性勃起。胸腰段中樞主要負責精神性勃起，而骶段中樞則對這兩種勃起都起反應。