중추나 말초신경계가 음경 발기에 관여하는 기전은 주로 전기자극이나 신경계에 손상을 초래한 후의 반응을 관찰하거나, 화학적 자극을 특정 부위에 준 후 반응을 관찰하여 조사한다. 이러한 조사 방법은 매우 침습적 이어서 인간에게 직접 실험하기에는 많은 제약이 있기 때문에 현재까지 보고되고 있는 연구 결과는 주로 쥐나 고양이, 원숭이 등의 실험동물을 대상으로 얻은 결과이다.

시각, 공상, 후각, 촉각 등에 의해 일어나는 음경발기는 주로 중추 신경계의 자극에 의해 일어난다. 대부분의 연구결과에서 시상하부와 변연계가 음경 발기에 중요 역할을 하는 부분으로 인식되고 있다.
변연계는 촉각, 청각, 미각, 후각에 의한 외적인 성적 자극을 받아들인다. 상상적 자극에 의한 대뇌피질의 흥분도 여기서 관장한다. 변연계의 여러 부위 중 해마(hippocampus)가 음경발기에 중요 역할을 하는 부위로 알려져 있다. 해마에 전기자극을 가하면 음경내압이 증가됨을 확인할 수 있다.

시상하부의 내시각 교차전 구역(medial preoptic area, MPOA)과 뇌실곁핵(paraventricular nucleus. PVN)이 음경 발기를 유도 하는데 주요 역할을 하며, 성적 반응과 관련된 자율 신경의 흥분도 조절하는 역할을 한다. 안쪽 시각로 앞핵은 음경 발기에 중요한 중추 신경계이며 자극 시 음경내압이 증가되며 사정에도 관여한다. 뇌실곁핵에서 척수로 가는 경로에는 옥시토신(oxytocin), 비소프레신(vasopresin), 엔케팔린(enkephalin), 도파민(dopamine)과 같은 신경전달물질을 함유하고 있다.

실험쥐에서 뇌실곁핵에 욱시토신, 글루탐산염(flutamate), 산화질소(NO), 도파민 대항제 등을 주입 시 음경발기가 유도된다. 시상하부의 신경흥분이 요추 자율신경중추에 전당되는 경로는 전기자극이나 바이러스를 이용한 신경추적을 이용하여 확인 되고 있다. 첫 번째 경로는 시상하부 등내측(mediolateral)에서 회색직(gray matter)등측과 중앙을 통해 청반(locus coenuleus)으로 내려간다. 뇌에서 원심성 입력(input)은 척주(dorsal column)를 통해 흉요추 자율신경 중추와 시상하부 등내측과 배내측(ventromedial)에서, 정중 전뇌(median forevrain)를 거쳐 유두체(mammillary body)와 유두각(mammillary peduncle)으로 내려간 후, 배측 뒤판부(ventral tegmental region)와 중심 뒤판부(central tegmental field)를 통해 내려가며, 중뇌 하부의 원심성 통로는 교뇌(pons)와 연수 (medulla)의 배외측부를 통해 마침내 척수의 등내측 섬유단(funiculus)으로 이어진다.