המחקרים המוקדמים של שנות ה-50 של המאה ה-20 מתבססים בעיקרם על דיווחיהם של הומוסקסואלים ולסביות ושל אנשים שראיינו אותם (אלפרד קינסי הוא הבולט שבהם, ראו להלן). מחקרים אלו ניסו להשתמש בשיטות שונות על מנת להתגבר על חוסר שיתוף פעולה מצד נחקרים שנובע מכך שנושא המיניות בכלל, ונטייה מינית הומוסקסואלית בפרט הם נושאים עליהם קיים במידה רבה טאבו גם כיום ואפילו בארצות המערב. כיום המחקרים מתבססים יותר על ממצאים מתחום הנוירופסיכולוגיה, הטרטולוגיה, הביוכימיה, האמבריולוגיה ועוד. גם בקרב המחקר הפסיכולוגי נערכו שינויי פרדיגמות ונטישת תאוריות פסיכואנליטיות מסוימות לעבר אחרות.
ההתמקדות בנטייה ההומוסקסואלית דווקא, נובעת ככל הנראה מהדעה הרואה בנטייה המינית ההטרוסקסואלית הנפוצה יותר את המובן מאליו, ובנטייה מינית ההומוסקסואלית את החריג הדורש הסבר.
גורמים גנטיים.
קיימת מחלוקת לגבי קיום הסבר גנטי להומוסקסואליות. עם זאת, מחקרים המצביעים על גנים ספציפיים (Xq28 ואחרים), הקשורים לנטייה הומוסקסואלית בגברים. כמו כן, נטייה לסבית זוהתה כבעלת פוטנציאל תורשתי. חוקרים מאוניברסיטת אילינוי בדקו מאות אחים הומוסקסואלים ומצאו דמיון בשני אזורים על גבי שני כרומוזומים המחזק לדבריהם את העדויות המדעיות הגורסות כי נטייה מינית היא תורשתית.
מחקרי גנטיקה השוואתית.
אילו נטייה מינית הייתה נקבעת על ידי הגנטיקה באופן בלעדי, אזי בדרך כלל הייתה צריכה להתקיים התאמה של 100% בין נטיותיהם המיניות של תאומים זהים (מונוזיגוטים), אשר בדרך כלל חולקים 99.8% חומר גנטי. במחקרים נמצא שבין תאומים זהים קיים דמיון שהוא רק מעט רב יותר מאשר אצל תאומים לא זהים; בסקר שערך Kenneth S. Kendler נמצא כי הסיכוי של תאום זהה שאחיו הומוסקסואל להיות גם כן הומוסקסואל הוא כ-32% בהשוואה ל-13% אצל זוגות תאומים לא זהים.
מחקרי תאומים מעין אלו מעידים לכאורה על השפעה גנטית מתונה על הנטייה המינית אך בו בעת מפריכים את הטענה כי הומוסקסואליות (לפחות זו האנושית) היא תופעה גנטית גרידא; תאומים זהים נושאים מטען גנטי-נוקלוארי זהה לכן תופעות גנטיות אמורות להתבטא בהם בדרך כלל בצורה שווה; היות שתאומים זהים חולקים 99.8% חומר גנטי, הרי שהעיקר הנותר הוא להבין עד כמה מטים ה-0.2% של החומר הגנטי המיטוכונדריאלי (הפועל כמעין "בקרה גנטית" על ה-DNA הנוקלוארי) את ביטוי הגנטיקה הנוקלוארית עצמה בהקשר זה, אם בכלל; מטלה מחקרית זו אינה בהכרח פשוטה שכן תועדו מצבים רבים בהם מוטציות ב-DNA המיטוכונדריאלי גורמות למצבים פנוטיפיים אבנורמליים (חלקם בעיתיים או מסכני חיים) באדם.
השפעות בשלב העוברי.
לפי חלק מהמחקרים, נטייה הומוסקסואלית קשורה לסביבה ההורמונלית שחווה העובר במשך ההיריון. כמה תכונות הקשורות במידת החשיפה של העובר להורמוני מין קשורות גם להומוסקסואליות:
מחקרי מוח הראו הבדלי גודל במספר מצומצם של גרעינים במוח (למשל בהיפותלמוס) בין הומוסקסואלים גברים להטרוסקסואלים נשים וגברים, אולם לא נקבע אם שוני זה הוא הגורם להומוסקסואליות, או ביטוי להתנהגות המינית השונה (כלומר, קשר הסיבה והמסוּבב אינו ברור).
גורמים סביבתיים ופסיכולוגיים.
הומוסקסואליות אינה ממוקדת באנשים שעברו חוויות חריגות בילדותם או בנעוריהם, או באנשים שהתנהגותם בגיל הילדות הייתה חריגה.
אף לא הוכח כי לחוויות חריגות בילדות יש קשר לגיבוש נטייה מינית הומוסקסואלית, בהנחה שזו אכן מתגבשת רק לאחר הלידה.
דו"ח שפרסם אלפרד קינסי בארצות הברית ב-1948 הראה כי נטייה מינית הומוסקסואלית נפוצה הרבה יותר ממה ששיערו תחילה, וכי היא נפוצה בקרב כלל הנחקרים, בין אם חוו ילדות נורמטיבית ובין אם לאו. מחקרים נוספים שנעשו בעקבות קינסי אישרו ממצאים אלו. פסיכואנליטיקאים אף העלו את ההשערה כי נטייה מינית תלויה באופי הקשר בילדות עם אחד ההורים, אך השערות אלו לא בוססו אמפירית.
זיגמונד פרויד האמין שהאדם נולד ללא נטייה מינית וכי זו נקבעת על ידי האינטראקציות העתידיות של היילוד עם הוריו והבניה חברתית של הסביבה. פרויד היה הראשון שייחס את ההומוסקסואליות כקיבעון לא פתיר של התסביך האדיפלי. הסבר נוסף על-פי פרויד הוא תא משפחתי המאופיין באם דומיננטית ובעלת מעורבות יתר ובאב מרוחק ופסיבי. פרויד ראה בתופעה זו תוצאה של שילוב של נטיות פרה-דיספוזיציות ביולוגיות ודפוסים משפחתיים בעייתיים, וזה המקור לכך שבמשך שנים ההומוסקסואליות נתפסה כפתולוגיה, כלומר, סוגיה רפואית. באופן דומה, גם משפחות של הומוסקסואלים נתפסו כפתולוגיות, בהיותן מספקות את "התנאים לצמיחתם" של הומוסקסואלים. עם זאת, פרויד לא ראה בהומוסקסואליות סטייה (פרוורסיה) כפי שראה זאת הממסד הרפואי באותה עת, אלא אינוורסיה. לטענתו, בעוד אלו הסובלים מסטייה הם חסרי יכולת לאהבה מעמיקה ומורכבת, אלא באהבה של חלקי אובייקט (כמו בפטישיזם), אלו הסובלים מאינוורסיה מסוגלים לאהבה עמוקה ומלאה ככל אדם בריא אחר.
גישתו של פרויד בעייתית היות שאינה מספקת כלים למענה לסוגיות הבאות:
שינוי הנטייה המינית ההומוסקסואלית.
במהלך השנים נערכו ניסיונות שונים לשינוי הנטייה המינית, עיקר הניסיונות היו "למחוק" נטייה מינית קיימת או לחלופין, לפתח נטיות אחרות במקומה, וזאת באמצעות פסיכואנליזה ושיטות טיפול אחרות (המכונות "טיפול המרה") או מתן תרופות. ניסיונות שכאלו פגעו באנשים שאותם ניסו לשנות. הממסד הרפואי בתחום הפסיכולוגיה והפסיכיאטריה גורס שלא ניתן לשנות הומוסקסואליות. עמדה זאת נסמכת על ניסיון קליני שנצבר בעשרות השנים האחרונות ועל כישלונם של ניסיונות רבים לשינוי לשנות נטייה מינית בשיטות מגוונות. לאור זאת, המלצתם היא שאדם המתייסר עקב נטייתו המינית יבחר בטיפול שיעזור לו להשלים עם נטייתו (Sexual affirmation therapy).
ב-5 באוגוסט 2009 פרסמה האגודה האמריקנית לפסיכולוגיה החלטה לפיה יש להימנע לחלוטין מהצעת טיפולים לשינוי הנטייה המינית של המטופל באמצעות טיפולי המרה או כל שיטה אחרת, נוכח היעדר הוכחות להצלחת הטיפול ונוכח הפגיעות הנפשיות שמהלך זה מציב למטופל (למשל דיכאון, חרדה והרס עצמי).
האגודה האמריקנית לפסיכיאטריה הגיעה למסקנות זהות. שתי האגודות מתנגדות לכל טיפול המבוסס על ההנחה כי על הפציינט לשנות את נטייתו המינית, וקובעות כי על מטפלים להימנע מטיפולים כאלו; ולפיכך, כללי האתיקה של פסיכולוגים, סקסולוגים, יועצים חינוכיים ועובדים סוציאליים מנחים אותם שלא לנסות לשנות נטייה מינית.
למרות קביעת הגופים המקצועיים, ישנם גופים המציעים לשנות נטייה מינית בעזרת טיפול - לרוב מדובר בגופים בעלי אוריינטציה דתית, אשר עושים זאת לרוב מתוקף תפיסת עולם דתית, אף על פי שלעיתים נטען מצידם אחרת. גופים אלו משתמשים לרוב בשיטת טיפול בהתמכרויות על מנת לגמול לכאורה את המטופל מנטייתו המינית.
בישראל פועל ארגון "עצת נפש", ארגון דתי לאומי המציע טיפול המרה לגברים הומואים, ומפעיל סדנאות תחת הכותרת "חזרה אל הגבריות". יש לבצע הבחנה בין ניסיונות מחתרתיים כאלו, לשנות נטייה מינית, לבין מניפולציות מחקריות הנעשות במסגרת מחקר מדעי, לרוב פסיכולוגי, המתיימר לחשוף שלבים באטיולוגיה של ההתפתחות המינית של האדם במהלך חייו. אף על פי הדעה המקובלת בקהילת החוקרים והקלינאים, הומוסקסואליות של אדם, בדומה להטרוסקסואליות, היא חלק אינטגרלי מחוויית חייו והתנהלותו, וכהיבט כה בסיסי באישיותו ואף בזהותו, אשר לפחות בטכנולוגיה הפסיכולוגית הקיימת, בדרך כלל לא ניתן למנועו או לשנותו, ישנם הומואים ולסביות הפועלים בסתירה לנטייתם המינית וחיים עם בן זוג מהמין השני. רבנים רבים מעודדים דרך זו, וחלקם אף מציעים להסתיר את "הנטייה ההפוכה" מבן הזוג. לעומתם, התומכים בזכויות להט"ב מעודדים אנשים לקבל את נטייתם המינית ולממש אותה.
התנהגות הומוסקסואלית בטבע.
יחסים הומוסקסואלים תוארו בתקופות מסוימות כ"יחסים שאינם כדרך הטבע", אולם בפועל תועדו עד היום 1,500 מינים של בעלי חיים בטבע שנצפו מקיימים התנהגות הומוסקסואלית. חוקרים בעבר התעלמו מתופעה זו מטעמים שונים. מקרה שכזה זכה לתשומת לב העיתונות בישראל כאשר זוג נשרים זכרים בגן החיות התנ"כי בירושלים החלו לחזר זה אחר זה ואף בנו יחדיו קן.
פרטים של בונובו ("שימפנזה ננסי") מקיימים ביניהם יחסי מין לצורך הנאה או לצרכים חברתיים (יצירת קשר או "ברית" בין שני פרטים לצורך הגנה או חיפוש מזון) ולא רק לצורך רבייה. יחסי מין להנאה או לצרכים חברתיים מתקיימים בלהקות של בונובו גם בין פרטים מאותו המין. עם זאת, יש שוני מהותי בין ההומוסקסואליות בקרב קופי הבונובו, לבין ההומוסקסואליות אצל בני אדם - אצלם לא נצפתה התנהגות הומוסקסואלית קבועה.
לעומת זאת, פינגווינים, הידועים גם הם כחיות הנוטות לשמור על מערכות יחסים בלעדיות, לא רק לצורך רבייה, נצפו פעמים רבות בזוגות בני אותו מין. ביניהם, מפורסמים וונדל וקאס, זוג פינגווינים אפריקאים מאקוואריום ניו יורק, אשר שומרים על מערכת יחסים בלעדית כבר מעל 10 שנים. בגן החיות של סנטרל פארק, גם בניו יורק, אף ניתנה לזוג פינגווינים מאותו מין ביצה, בה טיפלו בני הזוג כראוי ודאגו לאפרוח שבקע ממנה. חיות אחרות המקיימות זוגיות עם בני מינם הם לווייתנים ועופות פלמינגו.
הסתייגויות.
הפער בין משיכה התנהגות וזהות.
נטייה מינית מוגדרת כשילוב בין רצונו של האדם, התנהגותו וזהותו, ולכן אין מבחנים חיצוניים מוחלטים לקביעת נטייתו המינית של אדם.
אנשים עשויים להתנהג שלא בהתאם לנטייתם המינית, לתקופה קצרה או כתוצאה מסיטואציה חולפת, ואין בכך להעיד על נטייתם המינית.