การแข็งตัวเกิดขึ้นเมื่อเนื้อเยื่อคล้ายฟองน้ำเป็นลำยาวตลอดองคชาตที่เรียกว่า corpora cavernosa เริ่มเต็มไปด้วยเลือดซึ่งอาจะเกิดขึ้นจากการเร้าอารมณ์เพศ (sexual stimulation[1]) หรืออารมณ์ทางเพศ

ส่วน corpus spongiosum เป็นเนื้อเยื่อเดี่ยวมีรูปลำเป็นโพรง อยู่ใต้ corpora cavernosa ทั้งสองและมีท่อปัสสาวะวิ่งผ่าน ซึ่งเป็นทางผ่านของทั้งน้ำปัสสาวะและทั้งน้ำอสุจิเนื้อเยื่อนี้สามารถอมเลือดได้เช่นกัน แต่ว่าในระดับที่น้อยกว่า corpora cavernosa

การควบคุมจากระบบประสาทอัตโนมัติ

ถ้าเกิดการกระตุ้นทางกาย การแข็งตัวจะเกิดขึ้นจากการสั่งการของระบบประสาทพาราซิมพาเทติก (ส่วนหนึ่งของระบบประสาทอัตโนมัติ) โดยไม่มีส่วน (หรือมีแค่เล็กน้อย) จากระบบประสาทกลางเส้นประสาทพาราซิมพาเทติกวิ่งไปจากข่ายประสาท sacral plexus[2] เข้าไปยังหลอดเลือดแดงที่ส่งเลือดไปให้เนื้อเยื่อในองคชาตถ้าเกิดการกระตุ้น เส้นประสาทเหล่านี้จะหลั่งสาร acetylcholine[3]ซึ่งมีผลให้เกิดการหลั่งก๊าซไนโตรเจนออกไซด์จากเซลล์เนื้อเยื่อบุโพรง (endothelial cell) ในหลอดเลือดแดง trabecular ใน corpora cavernosa[4] แล้วก๊าซก็จะกระจายเข้าไปยังกล้ามเนื้อเรียบของหลอดเลือดแดง (ที่เรียกว่า trabecular smooth muscle[5]) โดยมีฤทธิ์เป็นสารขยายหลอดเลือดดังนั้น หลอดเลือดก็จะขยายตัวออกทำ corpora spongiosum และ corpora cavernosa ให้เต็มไปด้วยเลือดและกล้ามเนื้อ ischiocavernosus และ bulbospongiosus ก็จะเข้าไปกดหลอดเลือดดำของ corpora cavernosaจำกัดการไหลออกของเลือด[6]

การแข็งตัวจะลดตัวลงเมื่อการกระตุ้นระบบประสาทพาราซิมพาเทติกยุติลงและสัญญาณกระตุ้นระดับปกติจากระบบประสาทซิมพาเทติกก็จะทำหลอดเลือดแดงในองคชาตให้เล็กลงบีบเลือดออกจากเนื้อเยื่อที่ทำให้องคชาตแข็ง[7]

หลังจากการหลั่งน้ำอสุจิหรือหลังจากการยุติของสิ่งเร้า องคชาตปกติจะอ่อนตัวลง แต่เวลาที่ใช้อาจจะแตกต่างกันขึ้นอยู่กับความยาวและความหนาขององคชาต[8]

การควบคุมใต้อำนาจจิตใจและนอกอำนาจจิตใจ

เปลือกสมอง (cerebral cortex) อาจก่อให้เกิดการแข็งตัวได้แม้ปราศจากสิ่งเร้าทางกาย(โดยตอบสนองต่อสิ่งเร้าทางตา ทางหู ทางจมูก หรือจากจินตนาการ)โดยส่งสัญญาณผ่าน "ศูนย์การแข็งตัว" ที่ไขสันหลังเขต lumbar และ sacralและเปลือกสมองก็สามารถห้ามการแข็งตัวแม้จะมีสิ่งเร้าทางกายได้ด้วย เหมือนกับที่องค์ประกอบอื่น ๆ ทางใจ ทางอารมณ์ความรู้สึก และทางสิ่งแวดล้อมสามารถห้ามได้เช่นกัน

การแข็งตัวเวลากลางคืน

องคชาตอาจแข็งตัวในระหว่างที่หลับ หรือในขณะที่ตื่นขึ้นซึ่งมีศัพทย์ทางการแพทย์ภาษาอังกฤษว่า nocturnal penile tumescence (หรือศัพท์แสลงว่า "morning wood ท่อนไม้ในยามเช้า" หรือ "morning glory ความสง่างามในยามเช้า")[9][10][11][12]