如果說直接的生殖器刺激可以引發脊髓水平的勃起反應的話，那麼大腦的作用又是什麼呢？雖然看起來陰莖有時有它自己的想法，但是大腦在整合性反應的過程中起很重要的作用。
對陰莖的觸覺刺激可以通過脊髓觸發勃起，但是性感覺通常依賴於大腦，它能給人愉悅的感覺或是使人集中精力關注性愛刺激。對愛侶的注視、性幻想、記憶等都會成為大腦發出的信息，通過脊髓作用於陰莖動脈系統，維持和加強勃起的強度。當大腦發出引發勃起反射信號的時候，這種信號以神經沖動的形式向位於腰椎的脊髓勃起反射高位中樞傳遞。脊髓勃起反射高位中樞的作用就像是大腦和陰莖之間的中轉站，使得感覺、知覺和情緒反應在勃起反射中發揮作用。當大腦與脊髓勃起反射高位中樞之間的神經通路受損嚴重或阻斷時，男性將無法在僅有心理刺激的情況下發生勃起。
大腦也可以抑制性反應。一個對自己的性能力過度焦慮的人即使在直接對陰莖強烈刺激下也不能勃起。再比如說，一個人堅信性愉悅是邪惡和骯臟的，當他的性伴侶刺激他的陰莖時他心裡就會充滿了焦慮和罪惡感，也不會發生勃起。一些男性，特別是青春期男性，勃起反射很容易被引出；陰莖受到自己內褲的摩擦、看到很有魅力的女性從身邊走過、瞬間閃過的性幻想都可能勃起。在尷尬的場面中會出現自發勃起，比如在初、高中因為轉學而站在全部同學面前；或在公眾前拋頭露面。為了驅趕性幻想以及使勃起消退，很多青春期男性在上課鈴響前對課程的學習興趣會突然強烈起來。男性成年以後，陰莖需要更多的刺激才能勃起。如果三、四十歲的女性在裸體時不能引起男伴的哪怕是瞬間的自動勃起的話，她們將會感覺到自己的魅力減退。老年男性不再出現自發勃起，因此陰莖直接刺激就成了重要的性喚起手段。
