勃起在本质上是不随意的。阴茎在受到刺激时，自律神经系统的两个部分之一——副交感神经便会使其勃起，此外中枢神经系统也会参与此过程。副交感神经分支会从延伸至运送血液到勃起组织的动脉：在受到刺激时该些神经分支会分泌乙酰胆碱，继使阴茎小樑动脉的内皮细胞分泌一氧化氮。一氧化氮扩散到动脉的平滑肌（也可称为「小樑平滑肌」），使平滑肌舒张，诱使阴茎海绵体和尿道海绵体的空腔充血，并出现勃起。同时坐骨海绵体肌和球海绵体肌会压迫阴茎海绵体的静脉，限制血液流出。 当副交感神经活动消退至日常状态时，阴茎的勃起程度就会消退：在过程