陰茎の内部には、左右1対の陰茎海綿体と、その下側にある尿道海綿体の、計3本の海綿体が通っている。尿道海綿体には中に尿道が通っている。海綿体は、体内の会陰部から陰茎の先端まで続いており、陰茎の大半を構成している。陰茎の先端まで続いているのは尿道海綿体であり、これが亀頭を形作っている。

海綿体の内部は、蛇行する静脈洞が密集してスポンジ状になっており、副交感神経を通じて、陰茎深動脈からの血流が調節されている。性的興奮やその他の生理現象により、静脈洞への血流が多くなると、海綿体は血液で満たされて膨張して硬くなる。これにより、陰茎全体も膨張して硬く変化する。これを陰茎の「勃起」と呼ぶ。勃起時に最も硬くなるのは陰茎海綿体であり、精液通路（尿道径）の確保のため、尿道海綿体は比較的柔らかい。