正常情況下，松弛狀態的陰莖，海綿體平滑肌和螺旋小動脈處于于收縮狀態，性刺激使海綿體和小動脈平滑肌松弛，從而增加了竇狀隙的順應性，使陰部內動脈末梢阻力大大降低，大量血液流入竇狀隙，海綿體脹大，使白膜壓迫導靜脈而減少了靜脈流出，隨著海綿體內壓的升高，靜脈流出管道進一步受壓，出現充分勃起;勃起消退過程與海綿體和小動脈平滑肌恢復收縮力，竇狀隙順應性降低，動脈血流入減少，靜脈重新開放等有關。

如果各種病理因素長期或過分刺激海綿體的這一整套神經——血管舒縮裝置，引起陰莖流出血管痙攣或輸入血管松弛，則破壞了正常勃起和消退過程而出現延長勃起。此時海綿體內血液淤滯，血液粘稠度升高、氧分壓和酸堿度(pH值)下降，二氧化碳含量升高，發病后六小時即可見到這些改變，如不及時處理則進一步引起海綿體間質水腫，最終導致主要輸出靜脈的血栓形成，缺血和缺氧使病人感到劇烈疼痛。長期如此，則導致海綿體纖維化及陽痿發生。這就是陰莖異常勃起所造成的嚴重后果所在。

陰莖異常勃起的病理生理學研究已了解了它所造成的結果。