Le cerveau intervient de façon à la fois consciente et subconsciente dans le processus de l'excitation sexuelle.
Tout commence lorsqu'un individu perçoit quelque chose (une photo, une odeur ou la proximité d'une autre personne) comme erotique.
Cette perception, qui est à l'origine du désir sexuel, provoque ensuite des modifications physiques des organes génitaux, voire du reste du corps.

C'est le lobe limbique du cerveau qui traite les informations que lui envoient les organes sensoriels de la vue, de l'odorat, du goût, de l'ouïe et du toucher, ainsi que les pulsions émotionnelles que sont les pensées, les désirs et les fantasmes.
Si les signaux que reçoit le cerveau sont positifs, la personne ressent du plaisir.
Si les informations transmises au système limbique ont une composante sexuelle positive, le cerveau fera en sorte d'augmenter la quantité de sang apportée aux organes génitaux (vaso-congestion).
Une telle excitation, dont la cause est psychologique, est dite psychogène.

Une excitation sexuelle peut également se produire sans aucune sensation initiale de plaisir et sans intervention du système limbique.
Une simple contact ou une simple pression exercée sur les organes génitaux peut produire une augmentation de l'afflux sanguin vers cette zone, phénomène connu sous le nom d'excitation réflexe.
Si cette réaction est bien plus simple qu'une stimulation psychogène, elle est tout aussi importante. Au cours d'un rapport sexuel, les réactions psychogènes et réflexes se succèdent et s'associent.

Chez l'homme, les réactions réflexes sont généralement prédominantes pendant le coït, et la stimulation constante de ses organes génitaux aboutit presque systématiquement à 1'ejaculation et à l'orgasme.

Une femme, en revanche, sera distraite par la sonnerie du téléphone ou les pleurs d'un enfant, susceptibles d'empêcher l'orgasme en dépit d'une stimulation physique constante de ses organes génitaux.

Au moment de l'orgasme, l'homme comme la femme libèrent soudain des substances appelées bêta-encéphalines (une variété d'endorphine), dont l'effet est analogue à celui des opiacés tels la morphine.
Les bêta-encéphalines se fixent sur des récepteurs cérébraux appelés récepteurs morphiniques, et induisent la sensation diffuse de plaisir et d'euphorie ressentie pendant l'orgasme.