性倾向的形成
到目前为止，科学家对于一个人形成异性恋、双性恋或同性恋的具体原因还没有达成共识。尽管许多研究考察过可能会影响性倾向的因素，例如遗传、激素、成长经验、社会与文化，但尚无研究能够明确证实性倾向是由某个特定因素或多种因素所引致的 。
尽管如此，多数科学家认为性倾向的形成，可能是由于生物因子（基因、激素）和孕后环境因子间复杂的交互作用促成 。他们指出，大多数人的性倾向在童年就已经形成 。现有证据表明，绝大多数拥有女同性恋和男同性恋倾向的成年人，是由异性恋父母养育的。女同性恋和男同性恋父母抚养的孩子绝大多数会成为异性恋 。
最近数十年来，大量证据显示了生物性因素对于性倾向形成有重大影响 ，同卵双胞胎性倾向一致性，以及同家族谱系间特定性倾向的集群，支持了生物学的解释 。科学家正在寻找与性倾向有关的基因，双生子研究为性倾向的遗传基础提供实质证据，特别是男同性恋。位于X染色体的Xq28以及8号染色体的8q12被认为最有可能是包含与男同性恋有关的基因区段 。性倾向可能是一种多基因（polygenic）遗传特征 ，并且基因对于性倾向的形成可能只扮演部分角色 。有些科学家主张子宫环境影响胎儿的表观遗传（epigenetics）进而调控性倾向的形成 ，有些研究认为能以此预测性倾向 ，但有专家对其预测的准确性表达怀疑，指其样本数量过小 。
另外一些证据指出激素与性倾向形成有关，一种说法是出生前的睾固酮浓度影响胎儿脑部结构，在子宫时编译好特定的性倾向、性别认同以及相关的行为、认知和性格特质 。许多科学家分别考虑了出生顺序、惯用手、头发漩涡、阴茎长短、身高体重关系，无名指/食指长度比例等因素，来研究激素与性倾向的关联 ，Blanchard的研究发现“每多有一个哥哥，该名男子被另外一名男子吸引的可能性就大一些” ，研究者认为这可能与母体怀多次男胎产生的免疫反应有关 ，Blanchard也发现发生该现象的男性多数都是右撇子。
其他的研究指出生理学和性倾向的相关性。在神经内分泌学与神经解剖学方面，西蒙·列维的研究报告男女同性恋与男女异性恋间有若干脑神经核型态（INAH3）差异存在 ，但该研究遭到样本量不足以及选择偏误的批评，尚未得到进一步的广泛验证 。另一份研究指出性信息素反应的差异，男性同性恋者和女性异性恋者的脑部会对雄二烯酮有性反应，女性同性恋者和男性异性恋者的脑部则对雌四烯醇有性反应 。

性倾向身份
就科学研究和专业人员的了解，性倾向通常在童年中期至青春期初期感受到。这些情感、爱情及性吸引，可能在毫无性经验的情况下产生。不同的人在性倾向上的体验也会很不同，有人很早就确定了自己的性倾向，但也有些人在与同性或异性伴侣发生过性行为之后，才真的明确了自己的性倾向 。根据克莱因性倾向方格，探索自我性倾向，可由情欲吸引、性行为、性幻想、情感偏好、社交偏好、生活形态偏好、自我认同等向度着手。以上这些向度并非都要符合，不同人可能有不同的方式界定自己的性倾向，但只有本人自己透过自己对性吸引的感觉和感情欲望，才能做出判断 。
心理学及性别研究对于性特质（sexuality）之多面向与多样性的理解，已为当代精神医学采纳，性倾向是内在先天的特质，性行为和性身份（sexual identity）较偏向是在发展过程中自由意志的选择 。因此，性行为与性倾向不必然有关，与同性发生过性行为，情感偏好不一定是同性；与异性发生性行为，性幻想对象也不一定是异性。例如，监狱或其它性别隔离环境中，可能致使异性恋男性和同性发生境遇性性行为，虽然他们回到外面的环境仍偏好异性 。有些男性性工作者比如妓男或者GV男优亦可能是从事男男商业性行为来营生的异性恋男性 。偏见和歧视令许多人难以接受自己的性倾向，所以认同自己的性倾向身份可能是一个缓慢的过程 。
主张社会建构论或酷儿理论的学者，批判或不理会性倾向的生物性成因，而是研究同性恋的社会身份如何成为社会控制的机制，或者压制了多重身份展现的可能性 。建构论主张，由于“同性恋”与“异性恋”的分类存在，人们不由自主地将自己“对号入座”；如果没有这番标签，只将性行为当作一种性表达就不会有“正常”与否的分野。该观点的始祖法国哲学家米歇尔·傅柯，指出“同性恋”和“同性恋者”等名称的产生，使一群“与同性发生性关系的人”正式被视为一个具有某些特征的社群。利用这些特征，人们可以清楚地将同性恋者与其他人分辨开，必要时可以将他们隔离起来。傅柯认为同性恋身份的社会建构，造成了对同性恋的压制，但对它的解构可以成为前进的武器和工具 。对此，Joshua Gamsom提出了批评。他说：“解构身份类别，模糊群体边界。”而当同性恋者群体边界变得模糊时，同性恋者这一族群就没有固定、坚实的身份和范围。“没有一个坚实的群体身份，就无法提出任何要求...它就难以完成任何集体行动” 。