目前，科学家认为性倾向的形成是基因、激素和环境的复杂的相互作用的结果，而并非只受一种因素影响 。
生物学因素
基因
最初，科学家会通过双生子研究来探索基因和环境对个体的影响。大量研究发现，同卵双生子（遗传基因完全一样）的性倾向相同的概率要大于异卵双生子（仅一半的遗传基因一样），这初步证明了基因对性倾向的影响 。 部分研究显示，遗传效应对男性性倾向的影响更大。生物特征模型显示，对于男性而言，遗传可以解释34%～39%的性倾向成因；对女性则仅可以解释18%～19% 。
之后，随着科学技术的进步，科学家可以从染色体，甚至基因的层面探讨遗传的影响。关于性倾向的染色体连锁研究表明，在整个基因组中存在多种促成性倾向的遗传因素。最早被发现的基因位于X染色体Xq28位置，它与男性的性倾向有关，被媒体宣传为“同志基因” 。 之后，在8号 、11号 、13号 、14号 、15号 染色体上均发现了与男同性恋相关的基因，在4号染色体上发现了与女同性恋相关的基因 ，并在1号 、7号 、9号 、12号 染色体上发现了对男女两性性倾向均有影响的基因。2019年，由美国、英国、瑞典、荷兰、丹麦、澳大利亚等国的科学家组成的国际研究团队，进行了迄今为止参与人数最多（涉及493001名个体）的同性性行为全基因组关联研究（genome-wide association study，GWAS），研究发现性倾向背后存在着数百甚至数千种基因变异，其中一些只影响特定的性别，也有一些通过性激素调节等对两个性别均有影响。所有的这些变异可以解释8%～25%的性倾向差异。
但是基因影响性倾向的证据并不可以等同于基因决定论，基因只是影响性倾向的众多因素之一，并无法最终决定一个人的性倾向。
激素
激素理论认为，如同影响胎儿的性别分化一样，激素也会影响胎儿成年后的性倾向。
一些研究认为，胎儿时的性激素水平会影响幼儿时期的孩子进行不同性别角色的活动，而幼儿时期的这种活动会影响成年后的性倾向 。 符合性别刻板印象的孩子会和异性的孩子在行为与表达方式等方面的感觉不一样；不符合性别刻板印象的孩子会和同性的孩子的这种感觉不一样。而部分研究者认为，当孩子接近“不同”的人时，这种不同的感觉会引起心理上的觉醒，而这种觉醒在之后会演变为性唤起。不过这一理论存在很多争议。但是，仍然有一些研究发现女同性恋者在性别角色上会比女异性恋者更男性化。她们会表现出更多的男性化特征，体内的雄性激素水平也更高 。 比如先天性肾上腺增生症（一种会导致胎儿发育过程中雄激素水平较高的遗传病）的女性患者会有更多男性化的性别角色认同，成年后也更有可能有同性恋性倾向 。
产前大脑发育假说认为产前因素是决定性倾向的主要因素 。男同性恋者和男异性恋者在大脑结构和认知过程上存在差异，产前大脑发育假说认为这是由于在胎儿发育期间子宫内的激素水平对胎儿大脑结构的影响 。 比如出生顺序不同，胎儿在母亲体内接受的激素环境也不同。美国和加拿大性学家雷·布兰查德（Ray Blanchard）等人的研究报告称，同一位母亲生育的男孩（非长子）每多一个哥哥，该男孩成为同性恋的概率就会增加33% 。 母性免疫假说认为，男性胎儿会刺激母亲的免疫反应，且这种反应会随着每一个后续的男性胎儿而增强。在怀孕或分娩期间，男性胎儿的细胞会进入母亲的血液循环，这种循环会使母亲的免疫系统产生相应的抗体。这些抗体会进入胎儿的体内，影响胎儿大脑中与性倾向相关的脑结构，增加儿子被男性吸引的可能性 。不过，这种假说并不能解释第一个儿子是同性恋的情况。
环境因素
社会环境对性倾向的影响的假设和证据很薄弱，并没有确凿的证据表明教养方式或者童年早期的经历会影响性倾向 。
但是也有部分研究表明，成年后的性倾向与童年时期的“性别不一致”有关 。 研究者发现，童年时期的性别不一致行为是成年期同性性倾向的最大预测因素，尤其对于男性而言 。 但是相关的研究也大都极具争议性。英国开放大学的社会心理学教授玛格丽特·韦瑟雷尔（Margaret Wetherell）等人的研究表明，虽然有71%的同性恋男性报告自己在小时候感觉自己和其它男孩不一样，但同样，38%的异性恋男性也是如此 。
其余有关父母的性别角色、孩子与父亲/母亲的关系、童年期的虐待或不幸经历等因素，均没有研究证明它们与性倾向有任何关系。
