男性的陰莖勃起中樞多位于大腦的邊緣系統。邊緣系統是圍繞腦干的嗅腦的一部分，包括嗅區、杏仁核、海馬回及扣帶回。這些神經核又都與丘腦、下丘腦及皮質上組織的許多區明顯有相互聯系。刺激上述區域可使陰莖產生勃起。
當大腦皮質接受性刺激后，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。副交感神經纖維從骶髓Ｓ２～Ｓ４離開脊髓前根經盆神經支配陰莖。交感神經纖維從胸１２至腰３經腹神經叢支配陰莖。所以陰莖受交感腎上腺素能神經及副交感神經膽堿能纖維的雙重支配。
陰部神經為體神經系統，起于骶髓段的２～４，含感覺、運動及節后交感神經纖維，分支為痔下、會陰及陰莖背神經。陰莖背神經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，通過陰部神經將沖動傳至骶髓，與副交感傳出神經連接而引起陰莖勃起發生。
勃起由大腦皮質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生的稱反射性勃起。精神性刺激和反射性刺激常協同作用而產生勃起，但也可各自獨立發揮作用。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。