女性性功能的神經學基礎尚不十分清楚;但目前認為女性性功能是由三級神經中樞調節的。第一級中樞，也就是性功能的初級中樞，位于脊髓低段，亦稱脊髓中樞，通過體干神經和交感、副交感神經支配外、內性器官也參與性興奮和性行為的調節;第二級中樞，是位于下丘腦和后腦的皮質下中樞，主要通過分泌促性腺激素釋放激素而調節性功能;第三級中樞，是位于大腦皮質的邊緣系統，特別是隔區和有關的結構中，是性功能調節的最高中樞。通過丘腦下部—垂體—卵巢軸的調節而使生殖器官發生周期性變化，并影響性功能。

丘腦下部分泌的促性腺釋放激素作用于垂體前葉，使之合成和釋放促卵泡素和促黃體素。在少量促黃體素的參與下，促卵泡素使卵巢中的卵泡發育成熟并分泌雌激素。在雌激素的作用下，子宮內膜發生增殖期變化。雌激素的分泌量在排卵前達到第一高峰，并對丘腦下部—垂體產生正負反饋。正反饋是促使垂體釋放促黃體素，負反饋是抑制促卵泡素的釋放。

當促黃體素釋放達到高峰時，在促卵泡素的參與下觸發卵巢排卵，并使破裂的卵泡形成黃體。黃體分泌孕激素和雌激素，由于孕激素的作用使子宮內膜變成分泌期。隨著孕激素和雌激素分泌的增加達到高峰，對丘腦下部—垂體起抑制作用(負反饋)，從而使垂體釋放的促卵泡素和促黃體素下降。于是，黃體萎縮，孕激素和雌激素的分泌隨之下降，因而子宮內膜難以維持而脫落形成月經。由于孕激素和雌激素的下降，解除了對丘腦下部—垂體的抑制，而垂體又重新釋放促卵泡素，新的卵泡又開始發育，新的周期又開始了。

近些年的研究證明，丘腦下部一些神經元釋放促性腺釋放激素受到腦組織某些神經元釋放的單胺類(如多巴胺等)神經介質的控制，而那些釋放單胺類神經介質的神經元又受到更高級的神經中樞的影響，如大腦精神活動的影響。另外，垂體還分泌生乳素，它協同雌、孕激素并促進乳房的發育與分泌，并受丘腦下部的控制;卵巢也分泌少量的雄性激素，并可以轉化為雌激素而發揮雌激素的作用，并可以引起陰蒂的增大等。

從內分泌的角度，雌激素對女性性欲影響較大，雄激素次之。