n beyin hücreleriyle etkileşim içinde olan hormonların ve genlerin etkilediği beyin yapısındaki farklılıkların cinsel yönelim dâhil olmak üzere sayısız davranıştaki cinsiyet farklılıklarının temeli olduğuna inanılır. Doğum öncesi hormonlar çocuklardaki cinsiyete uygun davranışları (sex-typed behaviour) etkileyebilir. Bu hipotez memeli hayvanlar üstünde yapılan çok sayıda deneysel çalışma sonucu ortaya atılmıştır. Benzer etkilerin insanlardaki nörodavranışsal gelişiminde görülmesi uzmanlar arasında büyük bir tartışma konusu olmuştur. Son çalışmalar doğum öncesi maruz kalınan androjenin çocuklardaki cinsiyete uygun davranışları etkilediğine dair kanıtlar bulmuştur.

Garcia-Falgueras ve Swaab tarafından yapılan bir endokrinoloji çalışması sonucu cinsel kimlik ve cinsel yönelimi etkileyen ana mekanizmanın gelişen beyin üstündeki testosteronun etkisiyle ilgili olduğu tahmin edilmiştir. Buna ek olarak rahim içinde maruz kalınan hormonların büyük oranda cinsel kimlik ve cinsel yönelim için belirleyici olduğunu öne sürmüştür. Testosteron, östrojen, projesteron gibi cinsiyet hormonlarının ilk olarak cinsel organların, daha sonra beynin cinsel olarak farklılaşmasında rol oynadıklarını söylemişlerdir. Ama hormonların etkisinin cinsel kimlik ve cinsel yönelimde çok önemli olmasına rağmen beynin cinsel olarak farklılaşmasında sadece hormonların rol oynamadığını belirtmişlerdir.

Fetüslerdeki yumurtalıkların gelişimi androjenlerin varlığına ya da yokluğuna dayanmaktadır. Hamileliğin 6. ve 12. haftaları arasında testosteronun üretimi ve dhydrotestosterona olan dönüşümü erkek fetüsünün penisi, testis torbası ve prostatın gelişimi için önemli faktörlerdir. Kadınlarda bu androjen seviyelerinin olmaması kadın cinsel organının gelişimiyle sonuçlanır. Buna takip olarak beynin cinsel olarak farklılaşması gerçekleşir. Cinsiyet hormonları ergenlikte etkin olacak beyin üstündeki organizasyonel etkilerde rol oynar. Bu iki süreç ayrı gerçekleştiği için genital maskülenleşmenin aşaması illaki beynin maskülenleşmesiyle ilişkili değildir. Cinsiyet farklılıkları en çok hipotalamusta ve amigdalada olmak üzere beynin birçok yapısında bulunmuştur. Hamman ve meslektaşları (2003) amigdalanın insanların cinsel davranışlarındaki rolünü inceleyen bir araştırma yapmıştır. Katılımcılara cinsel içerikli fotolar (heteroseksüel bir çiftin cinsel aktivitede bulunduğu ve karşı cinsin çıplak olduğu fotolar) ve cinsel içerikli olmayan fotolar gösterilmiştir. Hamman ve meslektaşları kadınların görsel cinsel uyarıcıya karşı yüksek seviyede cinsel uyarılma yaşadığını, erkeklerinse amigdala aktivitesinin seviyesinde bir artış olduğunu gözlemlemiştir. Bulgulara dayanarak amigdalanın cinsiyet farklılıklarında önemli bir rol oynadığı öne sürülmüştür. Cinsiyet farklılıkları üzerinde yapılacak ilerideki araştırmalar beynin maskülenleşmesi, feminenleşmesiyle ilgili daha sağlam yanıtlar verebilir.

Organizasyonel teori hakkında yapılan araştırmalar zordur çünkü ahlaki olarak araştırmacılar gelişen fetüsteki hormonları değiştiremez. Bunun yerine doğal olarak oluşan anormalilerin gelişimini inceleyerek sonuçlar alabilirler. Organizasyonel etkilerle ilgili yapılmış en kapsamlı çalışma Congenital Adrenal Hyperplasia’dır. Bu teoriye göre insanlar fizyolojik cinsiyet farklılıklarını fetüste androjenler tarafından alır. CAH hastaları CAH olmayan hastalara göre daha erkeksi özelliklere sahip olmalıdır. Androjen Duyarsızlığı Sendromu (Androgen Insensitivity Syndrome) androjenlerin organizasyonel etkileriyle ilgili başka bir gelişimsel anomalidir. Androjen davranışlara etki ediyorsa AIS kişiler erkeklere göre daha az, kızlara göre ise daha çok erkeksi özelliklere sahip olmalıdır. Androjenlerin cinsiyet kimliğini önemli derecede etkilediğine dair bir kanıt yoktur. Doğum öncesi gelişmede orta derecede androjen seviyelerinin erkek cinsiyet kimliğinin oluşma ihtimalini arttırdığı görünmektedir ama bunun bir garantisi yoktur. Araştırmacılar cinsel yönelim ve beynin farklılaşmasında sadece hormonların değil genlerin de (örneğin SRY ve ZRY genleri) rol oynadığını öne sürer.

Hamile farelerin stres seviyelerinin artmasının anne karnındaki fetüsün gelişimini etkilediğine dair kanıtlar bulunmaktadır. Ellis & Cole-Harding (2001) annesel stresteki birtakım olaylar zincirinin beyindeki cinsiyet farklılığını etkilediğini, stresin annenin adrenal salgı bezlerinin kan sistemine yüksek seviyede stres hormonu göndermesine neden olduğu, bunların önemli bir bölümünün plazental duvarı aştığı ve fetüsün en çok testosteron hormonu olmak üzere cinsiyet hormonlarını sürekli olarak almasını engellediğini gözlemlemiştir. Annesel stresle ilgili araştırmaların küçük sayıda örnekler içermesi ve araştırmalarda hamilelikteki stres seviyesini doğru ölçmenin zorluğu yüzünden genellenebilirliği düşüktür.

Başka kanıtlar ilk 3 aylık dönemin en önemli faktör olduğunu gösterse de bazı araştırmalar doğum öncesi stresin bebeğin önemli derecede eşcinsel ya da biseksüel yönelim geliştirme ihtimalini arttırdığını desteklemektedir. Araştırmalar hamilelik sırasında nikotin ya da alkol tüketiminin erkek cinsel yönelimini etkilemediğini göstermektedir. Kadınlarda annesel stresle cinsel yönelim arasında bir ilişki bulunamamıştır. Ama annesel stresle beraber sigara içilmesi sadece sigara içilmesine göre kız bebeklerin eşcinsel yönelim geliştirme ihtimalini daha fazla arttırmaktadır. Endokrinoloji çalışmaları amfetaminlerin tiroid bezi hormonlarının kız bebeğin eşcinsel yönelim geliştirme ihtimalini arttırdığını bulmuştur ama bu annesel stresle birlikte incelenmemiştir.

Cinsel yönelimle rahimde belirlenen özellikler arasında bir ilişki olduğuna dair kanıtlar vardır. Williams ve meslektaşları (2000) doğum öncesi hormonlar tarafından belirlenen 2D;4D parmak oranını (işaret parmağın yüzük parmağa oranı) incelemişler, lezbiyen ve heteroseksüel kadınlar arasında farklılıklar bulmuşlardır ama gay ve heteroseksüel erkekler arasında farklılık bulamamışlardır. 1998’de McFadden tarafından yapılan başka bir çalışmada beynin doğum öncesi hormonlar tarafından belirlenen işitsel sistemleri incelenmiş, farklı cinsel yönelimlerdeki kişilerde farklı fiziksel özellikler bulunmuştur. Swaab ve Hofmann suprakiazmatik çekirdeğin (SCN) eşcinsel erkeklerde heteroseksüel erkeklere göre daha büyük olduğunu bulmuştur. Suprakiazmatik çekirdek aynı zamanda erkeklerde kadınlara göre de daha büyük olmasıyla bilinmektedir. Swaab ve Hofmann’ın hipotalamusla ilgili çalışmalarında (1990;2007) suprakiazmatik çekirdeğin seviyesinin eşcinsel erkeklerde kontrol grubununkine göre 1,7 kat daha büyük ve 2,1 kat daha fazla hücre içerdiğini bulmuştur. Ayrıca gay erkeklerin ortalama olarak heteroseksüel erkeklerden daha yüksek testosteron seviyesine sahip oldukları, daha büyük ve kalın penislere sahip oldukları rapor edilmiştir.

Gay erkeklerin ortalama olarak daha fazla büyük erkek kardeşe sahip olma fenomuna doğum sırası efekti (fraternal birth order effect) denir. Fazla sayıda büyük erkek kardeşe sahip olan erkeklerin fetüste daha fazla androjene maruz kaldıkları öne sürülmüştür. Doğum sırası efektinin kadınlarda görüldüğüne dair bir kanıt yoktur. Doğum sırası efekti teorisi birkaç erkek hamileliğinden sonra anne bağışıklık sisteminin erkek bebeğe bir reaksiyon geliştirdiğini söyler. Boagert hipotezinde “Bağışıklık sisteminin amacı erkek fetüsünün beyin hücrelerinin (ön hipotalamus da dâhil) yüzeyindeki erkeğe özgü moleküller olabilir. Antierkek antikorlar bu moleküllere bağlanabilir ve onların normal cinsel farklılıklardaki rolüne engel olabilir. Bu da erkek bebeğin kızlara değil erkeklere ilgi duymasına neden olabilir.” demiştir. Garcia-Falgueras and Swaab “Doğum sırası efekti annenin erkeklerdeki Y kromozomu üretimine bağışıksal reaksiyon vermesiyle açıklanabilir. Annenin bu bağışıklık reaksiyonu vermesi her erkek hamileliğinde artıyor olabilir.” demiştir.

Anne her erkek çocuk doğurduğunda erkek bebeğin eşcinsel olma ihtimalinin bir önceki erkeğinkinin yüzde 33-48’i kadar arttığı tahmin edilmektedir ama bu oran popülasyondaki erkek eşcinselliğin sadece küçük bir bölümünü açıklamaktadır. Bu yüzden bu hipotez eşcinsel erkeklerin çoğunluğu için geçerli değildir.

Doğum sırası efektiyle beraber el yanlılık doğum öncesi hormonların cinsel yönelime olan etkisinin başka bir kanıtıdır çünkü el yanlılık erken sinirsel gelişimin bir işareti olarak düşünülmektedir. El yanlılıkla diğer bağlantılı şeyler (örneğin beyinsel yanlılık, doğum öncesi hormonal profil, uzaysal yetenek) de cinsel yönelimle bağlantılıdır. Doğum sırası efekti sadece sağ yanlı erkeklerde gözlenmiştir, sol yanlı erkeklere bir etkisi olduğu tespit edilememiştir.

1991’de yapılan bir çalışmada Simon LeVay cinsel davranışları kontrol eden ve doğum öncesi hormonlarla bağlantılı olduğuna inanılan ön hipotalamustaki nöronların çok küçük bir kümesinin heteroseksüel erkeklerde eşcinsel erkeklere göre 2 kattan daha fazla büyük olduğunu bulmuştur. Bu bölge aynı zamanda heteroseksüel erkeklerde heteroseksüel kadınlara göre de 2 kattan daha fazla büyük olduğu bulunduğundan eşcinsel erkeklerdeki hipotalamustaki bu cinsel farklılığın kadınsal yönde olduğu öne olduğu sürülmüştür. 2003’de Orageon State Üniversitesi’ndeki bilim adamları koyunlar üstünde yaptığı bir çalışmada benzer sonuçlar elde etmiştir. 

Kadınların cinsel yönelimini inceleyen çoğu deneysel ve teorik araştırma lezbiyen kadınların maskülen, heteroseksüel kadınların feminen olduğu fikrinden hareket eder. Bu fikir eşcinselliği cinsel ilgi ve cinsel kişiliği tersine çeviren biyolojik anormalliklerin sonucu olarak gören araştırmacaların “tersine çevrilme” teorisinin izinden gitmektedir. El yanlılıkla ilgili yapılan çalışmalarda heteroseksüel kadınlara göre lezbiyen kadınlarda sağ yanlı olmama durumunun daha yüksek oranda görülmesi doğum öncesi maskülenleşme ve cinsel yönelim arasında bir bağlantı olduğunu göstermektedir çünkü sağ yanlı olmama durumu erkeklerde kadınlara göre de daha yüksek oranda görülmektedir. En az 6 farklı laboratuvarda toplanan datalard