阴茎异常勃起的病理生理学研究已了解了它所造成的结果。正常情况下，松弛状态的阴茎，海绵体平滑肌和螺旋小动脉处于于收缩状态，性刺激使海绵体和小动脉平滑肌松弛，从而增加了窦状隙的顺应性，使阴部内动脉末梢阻力大大降低，大量血液流入窦状隙，海绵体胀大，使白膜压迫导静脉而减少了静脉流出，随着海绵体内压的升高，静脉流出管道进一步受压，出现充分勃起；勃起消退过程与海绵体和小动脉平滑肌恢复收缩力，窦状隙顺应性降低，动脉血流入减少，静脉重新开放等有关。

如果各种病理因素长期或过分刺激海绵体的这一整套神经——血管舒缩装置，引起阴茎流出血管痉挛或输入血管松弛，则破坏了正常勃起和消退过程而出现延长勃起。此时海绵体内血液淤滞，血液粘稠度升高、氧分压和酸碱度（pH值）下降，二氧化碳含量升高，发病后六小时即可见到这些改变，如不及时处理则进一步引起海绵体间质水肿，终导致主要输出静脉的血栓形成，缺血和缺氧使病人感到剧烈疼痛。长期如此，则导致海绵体纤维化及阳痿发生。