尽管没有任何一个关于性取向成因的理论得到普遍的支持，科学家们更倾向于从生物学角度出发的理论。科学家们推断可能是基因、荷尔蒙和环境相互作用导致了性取向的不同。而后天社会环境则对性取向的影响较轻，尤其是对男性。
例如，2008年一项针对所有瑞典超过7600对成年双胞胎的研究发现，同性行为被遗传基因因素和独特的环境因素共同影响。这种独特的环境因素包括母亲怀孕时的产前环境、小孩早期得过的病、双胞胎非共同的朋友群体等。双胞胎共同经历的环境对男性没有影响，对女性有较弱的影响。
2017年的一个针对男同性恋的全基因组关联研究（Genome Wide Association Study）发现，男同性恋和男异性恋的下丘脑（Hypothalamus）有所不同。其中，位于13号染色体上的SLITRK6基因被发现对性取向有影响。SLITRK6基因在活跃于中脑（Mid-brain），正是下丘脑所在的地方。研究人员还发现，甲状腺刺激激素受体（TSHR，Hyroid Stimulating Hormone Receptor)也在同性恋与异性恋男性中出现了序列差异。
其他针对同性恋的生物影响因素的调查研究还有很多，科学家们也更倾向于认为相较于成长环境，基因、早期子宫环境（如产前激素）和脑部结构等生物因素与性取向的形成有更大的关联。
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