生物学与性取向的关系是一个研究课题。虽然科学家不知道性取向形成的确切原因，但他们的理论认为，遗传、激素和社会因素的结合决定了性取向。 产后社会环境对性取向的影响很弱，特别是对于男性。

解释性取向原因的生物学理论受到科学家的青睐。这些理论涉及到遗传因素、早期子宫环境和大脑结构复杂相互作用。与异性恋、同性恋、双性恋或者无性恋形成的有关因素包括基因，产前激素（英语：Prenatal hormones and sexual orientation），和大脑结构。

许多双生子研究试图比较遗传学和环境在确定性取向方面的相对重要性。在1991年的一项研究中，贝利和皮拉尔对从“同性恋杂志”中招募的男性双胞胎进行了一项研究，发现52%的同卵双胞胎兄弟（共有59名）和22%的异卵双胞胎在同性恋方面是一致的。 在一项61对双胞胎的研究中，研究者发现，在大多数男性受试者中，单卵双胞胎的同性恋一致率为66%，异卵双胞胎的同性恋一致率为30%。 2000年，贝利、邓恩和马丁研究了4901对澳大利亚双胞胎的大样本，但报告的一致性不到一半。他们发现男性同卵双胞胎的一致性为20%，女性同卵双胞胎的一致性为24%。其他研究者支持性取向由生物学原因决定。Bearman和Brückner (2002)批评早期研究集中于小的选择样本 和不具代表性的课题选择。 他们研究了289对同卵双胞胎和495对异卵双胞胎，发现男性同卵双胞胎的同性吸引力一致率仅为7.7%，女性为5.3%。他们称这一模式“不表明遗传影响独立于社会背景”。

2010年，瑞典对所有成年双胞胎（超过7600对）的研究 ，将同性性行为的来源解释为遗传和个体独特的环境（如产前环境、疾病和创伤的经历、同龄人群体和性经验）。同时，共享环境变量，如家庭环境、社会态度等，有较弱但显著的影响。在统计学上，女性受遗传的影响较弱，男性不受共享环境的影响。瑞典对所有成年双胞胎的研究，旨在解决同性恋双胞胎更愿意参加实验，这一潜在偏见的影响。

生物统计模型显示，在男性中，遗传效应解释34%-39%的性取向差异，共享环境为0%，个体独特的环境为61%-66%；在女性中，对应的估计值为18%-19%的遗传效应，16%-17%的共享环境，64%-66%的个体独特环境。尽管较大的置信区间表明需要谨慎的解释，但是，同性性行为受到遗传为主的、家族的中等程度影响和非共享环境（社会与生物）的中等到较高程度影响的结论不变。

双生子研究受到了很多批评，包括自我选择偏见，即同性恋者和同性恋兄弟姐妹更有可能自愿参加研究。尽管如此，我们还是可以得出这样的结论：鉴于许多同卵双胞胎在性方面的差异，性取向不能仅仅归因于遗传因素。

另一个问题是，即使是同卵双胞胎，在同性恋方面也可能是不一致的，并且有一种机制可能可以解释这种不一致。Gringas和Chen(2001)描述了导致同卵双胞胎之间差异的多种机制，其中最关键的是绒毛膜性和羊膜性。 双绒毛膜双胞胎可能具有不同的激素环境，因为他们从不同的胎盘接收母体血液，这可能导致不同水平的大脑男性化。单羊膜双生子共享激素环境，但可能患有“双生子输血综合征”，即“一个相对充满血液，另一个则血液不足”。

研究者尝试解答一个问题：我们可以从人的童年，来判断他们将来的性倾向的吗？童年就有线索可循的吗？我们现在知道，即使摒除文化或社会因素，平均来说，男孩子和女孩子的行为都有差异的，例如男孩较喜好竞争性的游戏。类似的差异也能在成年时有不同性倾向的儿童身上找到吗？

所谓的“童年”，即人类未踏入青春期、性意识未成熟、人未有性冲动的时候——他们无法绝对肯定自己的性倾向。如果上述问题的答案是肯定的话，就说明性倾向可能是形成于童年或更早的时候。尽管家庭环境和社会文化都可能影响小孩子的行为，但相比起成人而言，小孩子受社会文化因素的影响始终是较微的。如果在不同文化都可以观察到某些因素的关联性，我们就可以推断，当中的关联性很可能可以以生物学解释。

对于童年、成年的比照研究，有两种研究方式：一种是长期追踪研究，由研究对象童年开始定期会面，直到他们长大成人；另一种是回溯研究，由已确定性倾向的成年人回忆他们儿时的行为。第二种研究比较易找研究对象、短期内亦能较快执行，不过误差较大。

由下面的研究数据可以看到，童年的行为特征和成年的性倾向，在统计学上是相关的，但从个别个案来看两者的关系并非必然的，由下面格林的研究（1987年）可以看出，也有些人童年时有性别认同的问题，长大后成为异性恋者。

回溯研究：

追踪研究：

如果不同人类个体之间有一些相异特征，生物学家很容易提出一个问题：这会不会是基因引起的？生理上的性别一般来说是取决于XX和XY染色体，A/B/O/AB血型取决于9q34上的ABO基因，镰状血球贫血症取决于11p15.5上的HBB基因 。

自然而然，有人会问：“有同性恋基因吗？”或是：“性倾向有遗传学上的根据吗？”但是科学家仍未能找出确实的同性恋基因。对于这个现象有两个可能的解释：

一、的确有一些关键性的基因影响性倾向，只是科学家尚未发现。

二、性倾向的形成受多个基因影响着。

现时科学家透过基因谱比对，猜测会影响男性性倾向的几个染色体有：7、8、10、14和X。此外，基于荷尔蒙会影响性倾向是相同流行的说法，有科学家便针对男性荷尔蒙受体（其编码基因位于X染色体）和芳香环转化酶（此酶能将睾丸素转换成女性荷尔蒙，其编码基因位于15q21.1）研究。

双生子研究和家族研究是科学家判断某些特征是否遗传常用的方法。当然这些方法有其缺陷：

另外，双生子研究的时候，研究者要考虑研究对象是同卵双生还是异卵双生；但有时要判定研究对象是哪一种双生儿时，并不会作仔细的DNA核对，多是单从外貌去判断，这也造成一定的误差。

各地都有研究者进行过相关的双生子研究，以下是一些数据：（百份比表示同性恋的遗传几率）

家族研究方面，暂时科学界的研究数据显示，跟同性恋者有相同性别的兄弟姐妹，约有 7-16% 也是同性恋者。

关于荷尔蒙对性倾向的影响，科学家多是针对出生前荷尔蒙研究。不少科学家相信出生前荷尔蒙是关键性的因素。

科学家之所以针对研究出生前荷尔蒙，是基于几个线索：

同性恋是个不利生育的因素。若从演化生物学的角度来看，如果同性恋是有一定遗传性的，这个因素经过多年自然竞争、淘汰之后，似乎应该会消失在人口之中。那为何古往今来同性恋者都在人口保持一定比例呢？就此有多个解释：

以下是其中一些假设。这些假设的其中一个推论均是同性恋者较一般人有更多的亲戚。