Врачи древности считали, что эрекция происходит из-за скопления воздуха. Сосудистая природа эрекции была доказана 200 лет назад голландским анатомом и физиологом Ренье де Граафом.

Раньше предполагалось, что эрекция связана с застоем крови в венах и затруднение оттока крови по отводящим венам полового члена.

Однако Франсуа Франк доказал, что в основе эрекции лежит усиление притока артериальной крови, а замедление оттока крови по венам играет лишь вспомогательную роль. Это мнение было подтверждено исследованиями Легро. Перевязав вены у корня полового члена, он установил, что затруднение оттока венозной крови вызывает лишь набухание пещеристых тел полового члена, но это ещё не эрекция.

В настоящее время это мнение является общепринятым — механизм эрекции связан с усилением притока артериальной крови. Поэтому попытки перевязать половой член или сдавить его у корня (например, при попытках изнасилования мужчины женщинами) малорезультативны для проведения нормального полового акта, если мужчина не испытывает сексуального возбуждения и, соответственно, нет хорошего притока артериальной крови. Половой член набухнет кровью, но это очень далеко от нормальной эрекции.

Знаменитый сексопатолог начала ХХ века Л.Я.Якобзон пишет, что при эрекции переполняются кровью не только пещеристые тела, но и часть мочеиспускательного канала, семенной бугорок и шейка мочевого пузыря. Из-за этого при сильной эрекции мочеиспускание становится невозможным или крайне затруднительным. Впоследствии было установлено, что мочеиспусканию при эрекции препятствует непроизвольное сокращение внутреннего сфинктера мочевого пузыря.

Губчатое тело мочеиспускательного канала и головка полового члена даже на высоте эрекции менее напряжены, чем пещеристые тела самого полового члена. Благодаря этому создаются благоприятные условия для прохождения спермы через мочеиспускательный канал. Головка полового члена менее плотная и является как бы буфером, ограждая половые органы женщины от травматизации.

Рефлекторная природа эрекции была доказана Браше, который в эксперименте установил, что у животных с перерезанным спинным мозгом возможно вызвать и эрекцию, и эякуляцию при раздражении полового члена, а также прямым электрическим раздражением нерва.

Сосудодвигательные нервы полового члена берут начало от крестцовых корешков, а весь нервно-сосудистый аппарат связан с крестцовым и поясничным отделами спинного мозга. Если раздражаются нервные окончания полового члена, то возбуждение передается на 3 вида нервов, и это вызывает расширение сосудов полового члена.

Физиологический механизм эрекции Г.С.Васильченко описывает так. В покое, при отсутствии сексуального возбуждения, артерии полового члена находятся в состоянии среднего сокращения. В ситуациях, вызывающих сексуальное возбуждение, импульсы из головного мозга с помощью опосредованного воздействия вызывают расширение сокращенных артерий полового члена. Они сильно расширяются, и обильная волна крови вливается в сосудистую сеть пещеристых тел, заполняя и растягивая их. В ситуациях, неблагоприятных для половых проявлений, и после окончания полового акта нервные импульсы оказывают противоположное действие — артерии суживаются.

Гольц установил, что высшей инстанцией, интегрирующей с помощью нервных путей все «низшие механически-рефлекторные центры», выполняющие лишь «черную работу» сближения, — является головной мозг.

Когда возникает эрекция полового члена, мужчина становится способен к введению его во влагалище и совершению полового акта. Эрекция сопровождается желанием половой разрядки, избавления от половой напряженности.

Если половой член получает необходимую стимуляцию — о стенки влагалища, мануальную (рукой) или оральную (ртом, языком партнерши), то эрекция усиливается, и половое возбуждение нарастает.