Physiologische Erektion ist ein hochkoordinierter neurovaskulärer Prozess, an dem das Nervensystem, das Gefäßsystem und das endokrine System beteiligt sind. Durch visuelle oder taktile Reize werden die cerebralen Sexualzentren aktiviert. Dort kommt es zu einer Freisetzung stimulierender Botenstoffe, wodurch die „Erektionskaskade“ in Gang gesetzt wird. Es kommt dabei auch zur erhöhten Freisetzung von Stickstoffmonoxid (NO) in der Schwellkörpermuskulatur und dadurch Förderung der Produktion von einem Botenstoff (cGMP), das für die Relaxation der glatten Muskulatur der Penisarterien verantwortlich ist. Dadurch nimmt der periphere Widerstand in der Schwellkörpermuskultur und den Schwellkörperarterien ab und die Durchblutung nimmt zu. In dieser Phase kommt zu einer Zunahme der Blutzufuhr zu den Schwellkörperhohlräumen. Am Ende ist eine volle Tumeszenz (Anschwellen des Penis) erreicht, wodurch der Penis die maximale Länge und den maximalen Umfang erreicht.
Eine deutlich verstärkte Penisausdehnung während einer Erektion führt zu einem erhöhten Druck auf die Abflussvenen. Diese werden gegen die äußere Penisbindegewebeschicht (Tunica albuginea) gepresst. Dadurch kommt es zur Drosselung des Abflusses aus den Penisschwellkörpern, was zu einer starren Erektion führt.

Wenn die sexuelle Stimulation nachlässt, beschleunigt ein chemischer Botenstoff namens Phosphodiesterase 5 den Abbau von Erektionsbotenstoffe (cGMP) und verringert dadurch den Blutfluss in den Penis, was zu einer Abschwellung der beiden Schwellkörper führt.