En el sentido fisiológico, el orgasmo es un proceso que tiene lugar en el sistema nervioso central y por lo tanto es algo simple separarlo de las otras funciones sexuales, como la eyaculación, la concepción o el salto ovario. Las actividades en el cerebro durante el orgasmo pueden ser descritas como fuegos artificiales neuronales; éstas tienen su origen en el sistema limbico con participación del hipotálamo y la amidgala. Participan de la preparación del orgasmo varias sustancias neuronales, como los neurotransmisores, dopamina, noradrenalina y serotonina y distintas hormonas, sobre todo andrógenos y péptidos opioides. El proceso todavía no ha sido investigado en profundidad. Durante el proceso puede darse el caso de que la actividad salte de un área del cerebro a otra. Esto puede explicar varias reacciones sexuales que a primera vista son paradójicas, como las que se dan en casos de dolor y miedo extremo, que pueden llegar a ser vividos de manera similar al orgasmo. La capacidad de detección de dolor y la actividad del telencéfalo son reducidos de manera significante durante el orgasmo y su fase preliminar. Por eso, acciones dolorosas pueden ser sentidas como placenteras y estimulantes durante este proceso.