同性恋的生物学机制一直是科学家们关注的焦点。近年来，研究人员通过对公羊和人类的研究，发现性取向可能与大脑结构和激素水平有关。在公羊中，大约6～8％的公羊是"同性恋”，即对发情母羊毫无兴趣，却会试图与公羊交配。研究表明，在胎儿发育时，性激素能让哺乳动物大脑的结构和化学功能发生永久的变化，从而决定了成年后的性取向。

同性恋的生物学机制：研究发现，同性恋公羊大脑杏仁核中雌激素受体的数量明显少于异性恋公羊，而与母羊的相当。异性恋公羊下丘脑视前核显著大于母羊和同性恋公羊，大约是它们的两倍。在人类中，也存在着相似的情况。早在1991年，美国神经生物学家利维（Simon LeVay）在解剖了异性恋与同性恋男子的尸体后，发现在下丘脑前端一个被称为INAH-3的区域，同性恋男子显著小于异性恋男子，而与女子的相当。

研究还表明，男同性恋有其遗传因素。在同卵孪生子（基因完全相同）中，如果有一个是同性恋，那么另一个也是同性恋的可能性达50％；但是对异卵孪生子（基因只有一半相同）来说，如果有一个是同性恋，那么另一个也是同性恋的可能性则只有20％。如此看来，还存在与性取向有关的基因了。这个或这套"同性恋基因"在哪里呢？1993年，美国遗传学家哈默（Dean Hamer）等人在调查了114个男同性恋家庭后发现，同性恋看来是母系遗传的。

但是，"同性恋基因"如果存在的话，那么就有了一个很显然的难题：它怎么会被遗传下去？男同性恋对异性不感兴趣，没能留下后代，那么他携带的"同性恋基因"也会随着他的死亡而消失。美国著名生物学家、社会生物学的创始人爱德华·威尔逊曾在1978年试图用"同胞选择"理论解决这个难题。他认为，男同性恋对其兄弟姐妹的子女会更关心，让他的侄子、外甥们（包括女孩）有更高的生存率。这些孩子有一部分基因（约八分之一）与其相同，这样男同性恋者就通过其侄子、外甥们传播了一部分基因，其中有的就含有隐性的"同性恋基因"，而他们更高的生存率可以弥补男同性恋自己不生育的损失。