Koska rakkauden fysiologia on alueena vielä kovin tuntematon, sitä käsitellään tässä suhteellisen suppeasti ja keskitytään lähinnä Stanley Schachterin (1969) kognitiivisen tunneteorian näkemykseen rakastumisesta ja rakkaudesta.
Jo arkikokemus osoittaa, että rakastumiseen liittyy fysiologisia muutoksia: tihentynyt hengitys, hikoavat kämmenet, nopeutuneet sydämenlyönnit ja niin edelleen. Maanisen riivaavan rakkauden fysiologisina oireina voi olla lämmön nousua, vatsakipuja ja ruokahalun puutetta (Wilson & Nias 1976). Myös tieteellisten tutkimusten mukaan rakastumiseen liittyy kohonnut fysiologinen kiihtymys, joka ei välttämättä ole pelkkää seksuaalista vetoa rakkauden kohteeseen vaan sisältää muutakin. Schachterin tunneteorian mukaan mikä tahansa kiihtymystä aiheuttava asia, kuten ahdistus tai pelko saattaa saada meidät tulkitsemaan itsemme rakastuneiksi, jos tilanteessa on mahdollista kohdistaa rakastumisen tunne johonkin henkilöön. (Feldman 1990) Rakkauden edellytyksenä on siis sopiva fysiologinen kiihtymys sekä ajatus, että rakkaus on tilan todennäköinen syy. Tärkeää eivät ole fysiologiset reaktiot sinänsä vaan niistä tehty tulkinta. Stuart Valins Northin koe osoittaa, että henkilön erheellinen usko siitä, että hän on kiihottunut katsellessaan toista henkilöä, saattaa edesauttaa kiintymistä toiseen. Kokeessa miehille väitettiin heidän sydämenlyöntiensä tihentyneen heidän katsellessaan tiettyjä Playboy-tyttöjä. Vielä kuukautta myöhemminkin he pitivät näitä tyttöjä muita viehättävämpinä. (Wilson & Nias 1976)
Schachterin suorittamat adrenaliinikokeet tukevat tilannearvion vaikutusta. Samoin sitä tukee Donald Duttonin ja Arthur Aronin (1974) koe, jossa miehet täyttivät kyselylomakkeen ylitettyään kahdenlaisia siltoja. Osa miehistä ylitti pelkoa herättävän huteran riippusillan, jonka alla oli yli 70 metriä syvä rotko, ja osa ylitti tavallisen tukevan sillan. Riippusillan ylittäneiden miesten vastausten seksuaalipitoisuus oli tutkijoiden mukaan suurempi kuin normaalin sillan ylittäneillä ja he ottivat jälkeenpäin useammin yhteyttä viehättävään naispuoliseen henkilöön, joka oli ottanut kyselylomakkeet vastaan. (Wilson & Nias 1976) Melkein kolmasosa riippusillan ylittäneistä ja täten palautustilanteessa fysiologisesti kiihtyneistä miehistä soitti naiselle, kun vastaava luku matalan sillan ylittäneiden keskuudessa oli yksi kahdestakymmenestä. (Gleitman 1991) Pelkoa herättävässä koetilanteessa myös usein halutaan odottaa koetta toisen seurassa mieluummin kuin yksin. (Wilson & Nias 1976) Vaikuttaa siltä, että pelon aiheuttama kiihtymys todella johtaa seuraan hakeutumiseen, kiintymykseen ja jopa rakkauteen.
Schachterin teorian avulla on selitetty useita rakkauteen liittyviä ilmiöitä. Teoria tarjoaa selityksen sille, miksi torjuttu tai loukattu henkilö tuntee edelleen olevansa rakastunut toiseen osapuoleen. Torjunta johtaa fysiologiseen kiihtymykseen ja tulkitaan siksi rakkaudeksi. (Feldman 1990) Teorian avulla on myös tulkittu teoreetikkojen väittämää, että sekä seksuaalinen tyydytys että tyydyttymättömyys johtavat romanttiseen rakkauteen. Henkilö voi kiihtyä kumppaninsa seurassa sekä seksuaalisen kanssakäymisen seurauksena että sen estämisen vuoksi ja käsittää molemmissa tapauksissa tunteensa rakkaudeksi. (Wilson & Nias 1976) Teorian avulla voidaan selittää myös Romeo-ja-Julia -vaikutusta eli sitä, miksi muiden vastustuksella on usein rakkaussuhdetta lujittava vaikutus. Muiden vastustus aiheuttaa ahdistumista ja turhautumista, joka tulkitaan rakkaudeksi. Romanttinen rakkaus liitetään usein tarinoissa ja elokuvissa seikkailuun, minkä voitaisiin ajatella johtuvan vaaran ja pelon fysiologisesta vaikutuksesta. Rakkaussuhteistakin käytetään arkikielessä usein nimitystä seikkailu. (Gleitman 1991) Edellisten esimerkkien tavoin teoria selittää eron rakkautta lujittavaa vaikutusta sekä sitä, miten etäällä toisitaan olevat tunteet ilo, mustasukkaisuus ja suru voivat kaikki sisältyä rakkauteen. (Wilson & Nias 1976)
Rakkauden tuntemiseen vaikuttavat sekä sisäeritys että tietyt aivoalueet, etenkin tunteita säätelevä limbinen järjestelmä, jossa hypotalamuksella on keskeinen osuus. Sukupuolirauhasten tuottamilla hormoneilla on suuri vaikutus seksuaalisuuteen, joka on tärkeä osa rakastavaisten välistä rakkautta. (ks. esim Gleitman 1991) On kuitenkin syytä erottaa rakkauteen kuuluva eroottinen sukupuolisuus puhtaasta sukupuolivietistä, joka tähtää vain tyydytykseen ja laukeamiseen. Rakkauden fyysiseen puoleen eli eroottiseen seksuaalisuuteen liittyy kiinteästi myös psyykkinen puoli: hellyys, yhdessäolo ja huolenpito sekä rakastetun erikoisasema seksuaalisen tyydytyksen antajana. (Lennéer-Axelson ym. 1980)
Seksuaalisuuden normaaliin kehittymiseen vaikuttaa hormonitaso varhaisessa kriittisessä vaiheessa ja seksuaaliseen aktiivisuuteen androgeenien ja estrogeenien pitoisuuden vaihtelu veressä aikuisiällä. Seksuaalinen kiinnostus on suurimmillaan 15-25 ikävuoden tietämillä, koska androgeenitaso on silloin korkeimmillaan. (Kalat 1992) Miehillä, joilla veren testosteronipitoisuus on matala, testosteronin lisäys vahvistaa seksuaaliviettiä. Seksuaalivietti vahvistuu aivan samalla tavoin homoseksuaaleilla, mutta toisin kuin usein luullaan, se ei suinkaan lisää kiinnostusta toiseen sukupuoleen vaan oman sukupuolen edustajiin. Naisilla veren estrogeenipitoisuus vaihtelee kuukausikierron mukaan ollen korkeimmillaan ovulaation aikaan kuukausikierron keskivaiheilla. Tällöin naisten seksuaalisen halun on todettu olevan suurempi kuin muulloin, mutta ero ei ole huomattava. Nainen kykenee seksuaaliseen kanssakäymiseen tai kieltäytymään siitä milloin tahansa toisin kuin useimpien eläinlajien naaraat. Muutenkin alemmilla eläinlajeilla hormonien vaikutus käyttäytymiseen on paljon merkittävämpi kuin ihmisellä, jota säätelee pitkälti kulttuuri ja sosiaaliset normit. (Gleitman 1991) On myös todettu käyttäytymisen ja kokemusten vaikuttavan hormoneihin. Esimerkiksi testosteronitaso kohoaa seksuaalisista kiihokkeista ja naisten kuukausikiertoon vaikuttaa sosiaalinen ympäristö. (Wilson & Nias 1976)