En algunas circunstancias, la liberación de óxido nítrico precede a la relajación de los músculos de los cuerpos cavernosos y del cuerpo esponjoso, en un proceso similar al de la excitación femenina. El tejido esponjoso se llena de sangre, procedente de las arterias que recorren la longitud del pene. Un poco de sangre entra en el cuerpo esponjoso; el resto engorda los cuerpos cavernosos, que se expanden para contener el 90% de la sangre que interviene en la erección, aumentando tanto su longitud como su diámetro. La función del cuerpo esponjoso es evitar la compresión de la uretra durante la erección.
La sangre sólo puede salir del tejido eréctil a través de un sistema de drenaje de venas alrededor de la pared exterior del cuerpo cavernoso. El tejido esponjoso en expansión presiona contra un tejido denso circundante (túnica albugínea) que constriñe estas venas, impidiendo que la sangre salga. Como resultado, el pene se vuelve rígido. El glande, la tapa expandida del cuerpo esponjoso, permanece más maleable durante la erección porque su túnica albugínea es mucho más delgada que en el resto del pene.