在細胞內睪酮以原形（腦、腎、肌肉等），或經5α還原酶還原成雙氫睪酮（副性腺、骨髓等）后，與受體結合而發揮生理效應。
對生殖系統
雄激素的主要作用是促進男性生殖器官的形成和第二性征的發育。睪酮與FSH一起促進睪丸曲細精管的發育和精子發生和成熟。睪酮也是附睪、輸精管、精囊和前列腺等的發育和成熟所必需的。睪酮進入前列腺后，經5a-還原酶的作用生成活性更強的雙氫睪酮。大劑量睪酮使體內睪酮過量，通過反饋機理，首先抑制下丘腦及腺垂體促性腺激素分泌，繼而抑制睪丸內雄激素的合成和精子發生。在女性，雄激素與雌激素配合決定體毛、腋毛和陰毛的分布。在卵巢局部產生的雄激素，轉變為雌激素后才發揮生理作用。
蛋白質合成
雄激素或同化激素可促進蛋白質合成代謝，能促進生長和骨骼、肌肉的發育，減少尿素的排出。在青春期，雄激素刺激肌肉及骨的生長，使身高和體重快速增長，雄激素加速軟骨骨骺的融合，刺激骨骼成熟。睪酮或雙氫睪酮對生長是否有直接作用，有待闡明。對骨的生長是通過睪酮轉換為雌二醇，后者或與睪酮聯合刺激生長激素及類胰島素生長因子I（促生長因子C）。雄激素促進蛋白合成的作用，需同時從食物中攝人一定量的蛋白質，才能發揮作用。
造血功能
較大劑量的雄激素可以刺激骨髓的造血功能，特別是紅細胞的生成。可能是由于雄激素引起腎臟紅細胞生成素增多和直接刺激骨髓正鐵血紅素的合成。
對丘腦下部及腦垂體的作用抑制丘腦下部釋放GnRH，從而減少垂體促性腺激素的分泌。
對新陳代謝的作用 有明顯促進蛋白質合成作用，增長肌肉，促進機體和骨骼的生長，可引起氯、鈉、水潴留。
決定生殖器的分化 雄激素可以使外生殖器分化成陰莖，如果胚胎時期缺乏雄激素的刺激，原始生殖器就會向女性型轉化。