男性的阴茎勃起中枢多位于大脑的边缘系统。边缘系统是围绕脑干的嗅脑的一部分，包括嗅区、杏仁核、海马回及扣带回。这些神经核又都与丘脑、下丘脑及皮质上组织的许多区明显有相互联系。刺激上述区域可使阴茎产生勃起。

当大脑皮质接受性刺激后，输出冲动就会传到脊髓。从下丘脑前部传来的冲动投射到脊髓神经的骶段中枢，从丘脑后部来的冲动则通过中脑被盖投射到脊髓胸腰段中枢。副交感神经纤维从骶髓S２～S４离开脊髓前根经盆神经支配阴茎。交感神经纤维从胸12至腰3经腹神经丛支配阴茎。所以阴茎受交感肾上腺素能神经及副交感神经胆碱能纤维的双重支配。

阴部神经为体神经系统，起于骶髓段的2～4，含感觉、运动及节后交感神经纤维，分支为痔下、会阴及阴茎背神经。阴茎背神经进入泌尿生殖隔的后缘，支配球海绵体肌及坐骨海绵体肌，再进入泌尿生殖隔下筋膜后分支，支配阴茎海绵体、尿道海绵体及尿道，再于阴茎悬韧带间向前在阴茎背面分支，支配皮肤、包皮及龟头。阴茎中有丰富的感觉受体，通过阴部神经将冲动传至骶髓，与副交感传出神经连接而引起阴茎勃起发生。

勃起由大脑皮质受刺激所引起者称为精神性勃起；由阴茎局部的有效刺激所产生的称反射性勃起。精神性刺激和反射性刺激常协同作用而产生勃起，但也可各自独立发挥作用。精神性刺激常可潜意识地抑制及阻碍反射性勃起。胸腰段中枢主要负责精神性勃起，而骶段中枢则对这两种勃起都起反应。