阴茎勃起，是一个非常复杂的神经血管活动过程。

阴茎由三个管状的海绵体组成，即背侧两阴茎海绵体，和腹侧一个尿道海绵体。海绵体是由无数个彼此相通的小腔室构成的。这些小腔室叫做海绵窦。海绵窦相互连接，就像海绵的蜂窜一样，因此称之为海绵体。海绵体窦室壁有丰富的平滑肌纤维和弹力纤维。这些平滑肌纤维和弹性纤维松弛时，海绵窦就会扩张，阴茎也就会发生膨胀。

海绵体外层被一层坚实的纤维膜包膜，医学上称这层纤维膜为白膜。充满血液的小海绵腔压迫阴茎白膜，使已经膨胀的阴茎进一步变硬。

阴茎海绵体周缘的海绵窦发出小静脉紧靠白膜下，行走一段距离后，穿出白膜，汇入阴茎背静脉。当海绵窦膨胀时，这些小静脉被挤压而闭塞，使血液流出停止，阴茎出现强直性勃起，另外，由于围绕着阴茎根部肌肉的收缩，加大了阴茎勃起的力度，使阴茎挺举起来。

临床上把阴茎勃起分为四期，即充盈期、膨胀期、完全勃起期和强直期。当性兴奋时，阴茎动脉扩张，进入阴茎的血流增加，海绵体平滑肌松驰，海绵窦扩张，阴茎静脉流出减少，阴茎根部肌肉收缩，使阴茎出现由膨胀、变硬、持续勃起、到挺举等变化。射精后，阴茎的动脉和海绵体窦平滑肌收缩，白膜下静脉血回流，阴茎疲软。