人类有三种勃起机制：生殖器刺激性（接触性或反射性），中枢刺激性（非接触性或心理性）和中枢起源性（夜间性）。生殖器刺激性勃起由生殖器部位的触摸刺激诱发，该种勃起持续时间较短，不易主观控制，但可在较高位脊髓病变时保留。中枢刺激性勃起更复杂，由记忆、幻想或视听刺激诱发。中枢起源性勃起可自发于在无刺激时或睡眠中。大多数睡眠性勃起发生于快速动眼相（REM）睡眠中。触发快速动眼相睡眠的机制位于桥脑网状结构。性腺功能低下或接受抗雄激素治疗者夜间勃起的次数和持续时间均会显著减少。

激活自主神经可使阴茎充分勃起，即向海绵体内灌注并贮存血液。阴茎充分勃起后，坐骨海绵体肌收缩（躯体神经活化），挤压阴茎海绵体近端，使海绵体内压超过收缩期血压，阴茎发生强直性勃起。强直勃起期自然地发生于自慰或性交中，但也能发生在不需要肌肉收缩的阴茎轻度弯曲时。阴茎勃起过程可分为6个时期，详见下表。阴茎头的血流动力学机制与阴茎海绵体不同，由于其外周无白膜包绕，因而在充分勃起相发挥动静脉瘘的作用。然而在强直勃起期，大多数静脉通道均被暂时挤压，阴茎头会进一步增大。

表.阴茎勃起过程分期                                                                   

疲软期（1）

  只有少量动、静脉血流；血气值相当于静脉血气值。血流速度：2.5-8ml/100g/min。

充盈前（灌注）期（2）

  阴部内动脉血流在收缩期和舒张期均增加。阴部内动脉压力下降；海绵体内压不变。阴茎长度增加。

充盈期（3）

  海绵体内压增加直至达到充分勃起。阴茎更粗更长，并有搏动。伴随海绵体内压的增加，血流速度下降，当内压达到舒张压水平时，血液只在收缩期流入。

充分勃起期（4）

  海绵体内压升至收缩压的80-90%。阴部内动脉压力增加，但稍稍低于体循环压力。动脉血流较灌注期明显减少，但仍多于疲软期。尽管静脉通道多数被挤压，但静脉血流仍多于疲软期。血气值接近动脉血。

骨性或强直勃起期（5）

  由于坐骨海绵体肌的收缩，海绵体内压升至收缩期血压水平以上，导致强直勃起。此期内几乎无血流通过海绵体动脉；然而，由于持续时间很短，因而不会发生组织缺血和损伤。

消退期（6）

  射精后或性刺激终止后，交感神经恢复释放递质，导致海绵窦和小动脉的平滑肌收缩。平滑肌的收缩使动脉血流减至疲软期水平，将海绵窦内的大量血液排出，静脉通道重新开放。阴茎恢复其原疲软时的长度和周径。