阴茎勃起的分子生物学机制是，各种性刺激作用于阴茎海绵体中非肾上腺素能非胆碱能（non-adrrnerqic/non-chounerqic，NANC）神经的神经元型一氧化氮合酶（neuronal nitric oxide svnthase nNOS）及血管内皮细胞的内皮型一氧化氮合酶（endothelial NOS.eNOS）。后者分解L-精氨酸生成一氧化氮（nitricoxide.NO）。

　　NO弥散进入海绵体及血管平滑肌细胞内，激活鸟苷酸环化酶，后者催化三磷酸鸟苷（quanosine triphosphate.GTP）生成第二信使环磷鸟苷（cvclicquanosine monphosphate.Cgmp）而cGMP可活化蛋白激酶G（cGMP-dependentprotern kinase，PKG），使钾钙通道磷酸化并超级化，胞质内钙离子浓度降低。最终的结果是肌原蛋白与肌动蛋白解离，平滑肌舒张。eNOS活化引起NO的持续释放，是导致阴茎勃起得以维持的关键。

　　除NO-cGMP通路外，其它数神经递质（如血管活性肠多肽VIP）和药物（如前列地尔）与膜受体竞争结合，并激活环磷酸腺苷（cyclic adenosinemonophosphate，cAMP）通路，后者也能使离子通道磷酸化，平滑肌舒张，使海绵体充血。相反，去甲肾上腺素、肾上腺素和内皮素似乎能活化激酶C，生成三磷酸肌醇和一酰基甘油，使胞质内钙离子浓度增加，平滑肌收缩，降低海绵体供血。

　　勃起的消退有赖于cGMP和cAMP分别被特异性磷酸二酯酶（phosphodiesterase.PDE）水解，变为无活性的GMP和AMP。截至目前，已有11型磷酸二酯酶被确认。阴茎富含GMP特异性的5型磷酸二酯酶（PDE5）。因而PDE5特异性抑制剂（西地那非、伐地那非和他达拉非）可以改善ED患者的阴茎勃起功能。