I corpi cavernosi internamente sono formati da un labirinto di trabecole di collagene, elastina e muscolatura liscia che conferiscono loro un aspetto simile a quello di una spugna; al loro interno sono accolti numerosi capillari e piccoli nervi. La superficie trabecolare che si affaccia agli spazi cavernosi, cioè gli spazi vuoti (allo stato flaccido) tra le numerose trabecole, è ricoperta da endotelio. Durante l'erezione gli spazi cavernosi si riempiono di sangue. Il corpo spongioso presenta una struttura simile a quella del cavernoso, ma gli spazi cavernosi sono più ampi e anastomizzati tra loro e le trabecole possiedono, come nel cavernoso, uno strato endoteliale a contatto con lo spazio. Attorno all'uretra peniena si aprono i dotti delle piccole ghiandole mucose parauretrali (di Littre). Sia i due corpi cavernosi sia il corpo spongioso sono immersi in vivo in uno strato di tessuto connettivo fibroso denso che poi più esternamente danno origine alla tonaca albuginea. Le tonache albuginee dei corpi cavernosi e del corpo spongioso differiscono per composizione, infatti quella che ricopre il secondo è più sottile, biancastra ed elastica rispetto a quella che ricopre i primi, è inoltre più ricca di cellule muscolari lisce. In sezione l'uretra, che perfora il corpo spongioso, ha un lume stellato o irregolare. Esternamente alla tonaca albuginea vi è uno strato di ipoderma (tessuto connettivo lasso) ricco di vasi sanguigni, che permette al pene di muoversi liberamente rispetto alle strutture sottostanti. Lo strato più superficiale è la cute, che nella porzione prossimale è ricca di follicoli piliferi, mentre ne è priva nella porzione distale, sul prepuzio e sul glande. La superficie interna del prepuzio e della corona del glande è ricca di ghiandole sebacee che secernono smegma.