남성의 생리적 음경발기에는 심인성 발기, 반사성 발기, 야간의 수면중 발기의 3가지 종류가 있다. 매혹적인 여성을 보거나 눈앞게 여성이 없더라도 성적충동을 일으키는 그림이나 영화를 볼 때, 냄새를 맡을 때, 또는 소리를 들을 때, 심지어는 눈을 감고 아름다운 여성을 대상으로 에로틱한 상상의 날개를 펼칠 때도 음경이 발기되는데 이를 심인성 발기라고 한다. 심인성 발기는 대뇌피질 센타의 흥분의 결과이며 이들 흥분이 척수에서 기원하는 교감신경을 통해 성기로 전달되어 일어난다.


반사성 발기는 성기에 애무나 자극을 가하면 이 자극이 척수로 전달되고 다시 척수에서 기원하는 부교감신경을 통해 음경에 전달되어 일어난다. 하반신불수 환자가 성기에 자극을 받았을 때 자기의사와 관계없이 발기가 되는 것도 반사성 발기에 기인하는 것이다. 성관계 때는 심인성 발기와 반사상 발기가 복합적으로 작용하여 더욱 힘찬 발기를 일으키는 것이다.


야간의 수면중 발기는 심인성 발기나 반사성 발기와는 전혀 성격이 다르며 정상 남성이면 연령에 관계없이 누구나 나타나는 생리적 발기로서 왜, 어떻게 일어나는지에 대해서는 아직 명확히 밝혀져 있지 않다. 평상시에는 음경패면체 내로 탄산가스가 많은 정맥혈이 흐르나 발기시에는 산소가 많은 동맥혈이 유입된다. 그러므로 야간에 수면중 발기시에는 동맥혈을 통해 산소를 지속적으로 공급하여 발기조직을 건강하게 해주는 것으로 생각된다.

수면중 발기는 1회에 20~40분 지속하며 사춘기 이후부터 평생토록 대체로 하룻밤에 3~5회 비슷하게 일어나나 발기 지속 시간과 발기강직도는 사춘기를 정점으로 서서히 감소한다.


음경발기는 성적흥분을 일으키는 심적 자극(심인성 발기)를 받거나 애무에 의해 외생식기에 직접 자극(반사성 발기)을 받으면 대뇌피질이나 척수에 그 흥분이 전달되고 다시 대뇌피질이나 척수에서 자율신경(교감신경, 부교감신경)을 통해 음경에 전달되면 음경의 신경말단부에서 신경전달물질이 분비된다. 이 신경전달물질의 작용으로 음경동맥이 능동적으로 확장되고 평상시보다 4~10배나 많은 혈액이 음경 내로 유입되고 스폰지 모양의 망상구조를 가진 음경해면체의 확장된 공간 내에 혈액이 충만됨에 따라 음경은 팽창되며 음경해면체 내압이 상승함에 따라 단단하게 되고 마지막으로 출구인 정맥이 완전 폐쇠되어 유입된 혈액이 갇히게 됨으로서 완전발기가 이루어지는 것이다. 평상시에는 음경 내에 약 8ml의 혈액이 있으나 발기시에는 약 62ml의 혈액이 충만하게 된다.