Durante el estado de flaccidez del pene, el tono autonómico simpático (adrenérgico) mediante la noradrenalina produce vasoconstricción del músculo liso arterial y cavernoso, limitando el flujo sanguíneo intra-peneano. Los estímulos facilitadores de la erección inhiben el tono adrenérgico (a través del sistema colinérgico) y facilitan la relajación del músculo liso. La dilatación vascular y sinusoidal, incrementan el flujo sanguíneo del pene y facilitan el llenado de los espacios cavernosos. El bloqueo del drenaje venoso completa la secuencia de eventos que culminan con la erección.

La relajación del músculo liso arterial y cavernoso, involucra a un mediador químico identificado como óxido nítrico (NO), sintetizado a partir de la L-arginina y liberado, en respuesta a los estímulos sexuales, por las terminaciones nerviosas autonómicas, el endotelio vascular y, posiblemente también, por las células musculares lisas de los sinusoides cavernosos.

El (NO) activa la síntesis intracelular de guanosinmonofosfato cíclico (GMPc) a partir del guanosintrifosfato (GTP). La acumulación intracitoplasmática de GMPc induce a la hiper-polarización de la membrana celular; provocando descenso del potasio citosólico, secuestro del calcio (en organelas intracelulares) y bloquea el ingreso de calcio a través de los canales activos; con la consiguiente pérdida del tono contráctil y relajación del músculo liso. La fosfodiesterasa tipo 5 (PDE5) inactiva el CMPc dentro del músculo liso vascular y de este modo regula en forma negativa las acciones celulares mediadas por el NO.

La síntesis de óxido nítrico tiene relación directa con las concentraciones de oxígeno en el cuerpo cavernoso. Cuando el pene está fláccido, la saturación de oxígeno es muy baja (similar a la PO2 de la sangre venosa), se inhibe la síntesis de óxido nítrico y bloquea la relajación del músculo liso. Por el contrario, durante las erecciones aumenta la saturación de oxígeno intra-cavernoso, que favorece la síntesis de óxido nítrico y la relajación muscular. La necesidad de niveles adecuados de oxígeno dentro de los cuerpos cavernosos, explicaría la existencia de las erecciones penianas nocturnas (como función periódica, automática e independiente de la actividad sexual voluntaria), para garantizar una función eréctil normal.