I sostenitori della teoria della dipendenza sessuale identificano negli stessi modelli fisiologici delle dipendenze da sostanza e da gioco d’azzardod'azzardo la componente organica della patologia, per cui una importante disfunzione del [[dopamina|sistema dopaminergico]] e di quello [[serotonina|serotoninergico]] sarebbero alla base della ricerca compulsiva e incontrollata della soddisfazione sessuale. Il neurotrasmettitore della dopamina emesso dai neuroni localizzati nel [[sistema limbico]] (''[[nucleus accumbens]]'') verrebbe rilasciato in maniera disregolata nei soggetti affetti dal disturbo. Questo neurotrasmettitore ha la funzione di sollecitare la messa in atto di comportamenti atti al raggiungimento del piacere, che comprendono anche quei comportamenti che nell'uomo garantiscono la sua sopravvivenza (ricerca di cibo e acqua, comportamento riproduttivo...). Seppur non ancora definitivamente convalidato da ricerche scientifiche significative, gli studiosi hanno inoltre teorizzato il coinvolgimento nell'eziologia dell'ipersessualità del neurotrasmettitore serotoninergico, ormone neuronale che fa sperimentare la sensazione di felicità, sazietà e appagamento. Partendo dai neuroni serotoninergici situati nella corteccia prefrontale, le afferenze serotoninergiche proiettano sul ''nucleus accumbens'' modulando la produzione di dopamina e regolando così l'inibizione volontaria e il controllo del comportamento. Nei soggetti affetti da patologie della disregolazione degli impulsi e del disturbo ossessivo compulsivo sarebbe proprio questa funzione ad essere inficiata<ref name=":0" />.
