如果说直接的生殖器刺激可以引发脊髓水平的勃起反应的话，那么大脑的作用又是什么呢？虽然看起来阴茎有时有它自己的想法，但是大脑在整合性反应的过程中起很重要的作用。
对阴茎的触觉刺激可以通过脊髓触发勃起，但是性感觉通常依赖于大脑，它能给人愉悦的感觉或是使人集中精力关注性爱刺激。对爱侣的注视、性幻想、记忆等都会成为大脑发出的信息，通过脊髓作用于阴茎动脉系统，维持和加强勃起的强度。当大脑发出引发勃起反射信号的时候，这种信号以神经冲动的形式向位于腰椎的脊髓勃起反射高位中枢传递。脊髓勃起反射高位中枢的作用就像是大脑和阴茎之间的中转站，使得感觉、知觉和情绪反应在勃起反射中发挥作用。当大脑与脊髓勃起反射高位中枢之间的神经通路受损严重或阻断时，男性将无法在仅有心理刺激的情况下发生勃起。
大脑也可以抑制性反应。一个对自己的性能力过度焦虑的人即使在直接对阴茎强烈刺激下也不能勃起。再比如说，一个人坚信性愉悦是邪恶和肮脏的，当他的性伴侣刺激他的阴茎时他心里就会充满了焦虑和罪恶感，也不会发生勃起。一些男性，特别是青春期男性，勃起反射很容易被引出；阴茎受到自己内裤的摩擦、看到很有魅力的女性从身边走过、瞬间闪过的性幻想都可能勃起。在尴尬的场面中会出现自发勃起，比如在初、高中因为转学而站在全部同学面前；或在公众前抛头露面。为了驱赶性幻想以及使勃起消退，很多青春期男性在上课铃响前对课程的学习兴趣会突然强烈起来。男性成年以后，阴茎需要更多的刺激才能勃起。如果三、四十岁的女性在裸体时不能引起男伴的哪怕是瞬间的自动勃起的话，她们将会感觉到自己的魅力减退。老年男性不再出现自发勃起，因此阴茎直接刺激就成了重要的性唤起手段。