Η σύγχρονη έρευνα για την προέλευση του σεξουαλικού προσανατολισμού έχει εστιάσει κυρίως στη βιολογία, με σκοπό να την εύρεση σωματικών ή γενετικών παραγόντων που συσχετίζονται με την ομοφυλοφιλία. Τις τελευταίες δύο δεκαετίες, αρκετές μελέτες έχουν προσφέρει στήριξη στην ιδέα ότι ο σεξουαλικός προσανατολισμός έχει τουλάχιστον εν μέρει ρίζες στη βιολογία.
Αρχικά, αρκετές μελέτες έχουν αναφέρει διαφορές στην εγκεφαλική δομή μεταξύ ατόμων με ετεροφυλοφιλικούς και ομοφυλοφιλικούς προσανατολισμούς. Για παράδειγμα, ο Simon LeVay (1991) ανέφερε ότι ο τρίτος διάμεσος πυρήνας στον πρόσθιο υποθάλαμο (INAH3) στους ετεροφυλόφιλους άνδρες είχε παραπάνω από το διπλάσιο μέγεθος από την ίδια εγκεφαλική περιοχή στους ομοφυλόφιλους άνδρες. Για τους ομοφυλόφιλους άνδρες, η περιοχή αυτή ήταν όμοια σε μέγεθος με την αντίστοιχη δομή στις ετεροφυλόφιλες γυναίκες. Αν και πειστική, η δουλειά του LeVay είχε ένα σοβαρό μειονέκτημα, το οποίο ήταν ότι έκανε την ανακάλυψή του μελετώντας την ανατομία των υποκειμένων του μετά το θάνατό τους και συμπεραίνοντας το σεξουαλικό τους προσανατολισμό με βάση το ιατρικό τους ιστορικό. Επομένως, η σεξουαλικότητα των υποκειμένων δεν ήταν απαραίτητα γνωστή με βεβαιότητα, δηλαδή κάποιοι συμμετέχοντες μπορεί να είχαν τοποθετηθεί σε λανθασμένη κατηγορία σεξουαλικού προσανατολισμού. Επιπλέον, σχεδόν όλοι οι άνδρες που κατηγοριοποίησε ως ομοφυλόφιλους είχαν πεθάνει από AIDS, καθιστώντας ασαφές εάν το μέγεθος της περιοχής τους INAH3 ήταν προϊόν της σεξουαλικότητάς τους ή της διαδικασίας της νόσου.
Πιο πρόσφατες μελέτες που ξεπερνούν αυτούς τους περιορισμούς συνεχίζουν να υποστηρίζουν τον ισχυρισμό του LeVay ότι ο σεξουαλικός προσανατολισμός μπορεί να έχει τις ρίζες του στο μέγεθος και τη δομή του εγκεφάλου. Για παράδειγμα, μία μελέτη που χρησιμοποίησε τεχνολογία καταγραφής της εγκεφαλικής δομής και δραστηριότητας σε ζωντανά υποκείμενα βρήκε ότι ο αυτοαναφερόμενος σεξουαλικός προσανατολισμός των συμμετεχόντων συσχετιζόταν με την εγκεφαλική συμμετρία και τον αριθμό των νευρικών συνδέσεων στην αμυγδαλή. Πιο συγκεκριμένα, αυτή η μελέτη βρήκε ότι οι εγκέφαλοι των ομοφυλόφιλων ανδρών έμοιαζαν περισσότερο με αυτούς των ετεροφυλόφιλων γυναικών με την έννοια ότι έτειναν να είναι πιο συμμετρικοί (δηλ. το αριστερό και δεξί ημισφαίριο ήταν όμοια σε μέγεθος) και παρουσίαζαν μεγαλύτερη συγκέντρωση νευρικών συνδέσεων στην αριστερή πλευρά της αμυγδαλής. Σε αντίθεση, οι εγκέφαλοι των ομοφυλόφιλων γυναικών έμοιαζαν περισσότερο με αυτούς των ετεροφυλόφιλων ανδρών, δηλαδή έτειναν να είναι ασύμμετροι (δηλ. το ένα ημισφαίριο ήταν μεγαλύτερο από το άλλο) και παρουσίαζαν περισσότερες νευρικές συνδέσεις στη δεξιά πλευρά της αμυγδαλής.
Εκτός από την εγκεφαλική συμμετρία, η συμμετρία του προσώπου (δηλ. ο βαθμό στον οποίο η δεξιά και αριστερή πλευρά του προσώπου είναι πανομοιότυπες) συνδέεται με το σεξουαλικό προσανατολισμό. Πιο συγκεκριμένα, τα ετεροφυλόφιλα άτομα τείνουν να έχουν πιο συμμετρικά πρόσωπα από ότι τα ομοφυλόφιλα.
Κάποιες έρευνες υποδηλώνουν ότι ο σεξουαλικός προσανατολισμός ενός ατόμου μπορεί να αποκαλυφθεί από τα χέρια του. Για παράδειγμα, τα ομοφυλόφιλα άτομα είναι σημαντικά πιο πιθανό να είναι αριστερόχειρα από ότι τα ετεροφυλόφιλα. Επιπλέον, οι ομοφυλόφιλοι άνδρες και γυναίκες τείνουν να παρουσιάζουν αναλογίες στο μήκος των δαχτύλων που δεν είναι τυπικές του φύλου τους. Συγκεκριμένα, στις ετεροφυλόφιλες γυναίκες, ο δείκτης έχει συνήθως το ίδιο μήκος με τον παράμεσο, ενώ στους ετεροφυλόφιλους άνδρες ο δείκτης είναι συνήθως ελαφρώς κοντύτερος από τον παράμεσο. Οι μελέτες υποδηλώνουν ότι οι ομοφυλόφιλες γυναίκες τείνουν να εκδηλώνουν το πιο αρρενωπό μοτίβο (δηλ. μικρότερο δείκτη από τον παράμεσο) , ενώ οι ομοφυλόφιλοι άνδρες (αλλά μόνο εκείνοι με δύο ή περισσότερους μεγαλύτερους αδερφούς) τείνουν να παρουσιάζουν ένα ακόμη πιο υπερβολικό αρρενωπό μοτίβο. Η συσχέτιση με τους μεγαλύτερους αδερφούς μπορεί να φαίνεται παράξενη, αλλά είναι συνεπής με άλλες έρευνες που έχουν βρει ότι όσους περισσότερους μεγαλύτερους αδερφούς έχει ένας άνδρας, τόσο πιθανότερο είναι να είναι ομοφυλόφιλος. Στην πραγματικότητα, οι μελέτες έχουν βρει ότι για κάθε επιπλέον αδερφό που έχει ένας άνδρας, οι πιθανότητές του να είναι ομοφυλόφιλος αυξάνονται κατά 33%. Για ποιο λόγο; Η επικρατούσα θεωρία είναι ότι κάτι αλλάζει μέσα στο σώμα της μητέρας με κάθε διαδοχικό γιο (δηλ. το σώμα της μπορεί να δημιουργεί αντισώματα στις ανδρικές πρωτεΐνες που επηρεάζουν όλους τους ακόλουθους γιους). Επομένως, είναι λογικό το υπερβολικό μοτίβο για την αναλογία των δαχτύλων να εμφανίζεται μόνο μεταξύ των ομοφυλόφιλων ανδρών με μεγαλύτερο αριθμό μεγαλύτερων αδερφών επειδή αυτοί οι δύο παράγοντες μπορεί να συνδέονται με κάποιο τρόπο.
Ένα τελευταίο κομμάτι δεδομένων που υποδηλώνει μία βιολογική βάση για το σεξουαλικό προσανατολισμό είναι οι μελέτες διδύμων. Γενικά, η έρευνα έχει ανακαλύψει ότι όσο περισσότερο γενετικό υλικό μοιράζονται δύο άνθρωποι, τόσο πιθανότερο είναι να έχουν τον ίδιο σεξουαλικό προσανατολισμό. Επομένως, οι περισσότερες μελέτες διδύμων έχουν βρει ότι το ποσοστό συμφωνίας για την ομοφυλοφιλία είναι υψηλότερο για τα ομοζυγωτικά δίδυμα (που μοιράζονται το 100% του DNA τους) από ότι για τα διζυγωτικά δίδυμα (που μοιράζονται περίπου το 50% του DNA τους). Με άλλα λόγια, τα πανομοιότυπα δίδυμα είναι πιο πιθανό να έχουν τον ίδιο σεξουαλικό προσανατολισμό από ότι τα διζυγωτικά δίδυμα ή τα αδέρφια που δεν είναι δίδυμα.
Η κύρια εξήγηση για τα περισσότερα από τα παραπάνω αποτελέσματα επικεντρώνεται γύρω από την προγεννητική έκθεση σε ορμόνες. Μία θεωρία είναι ότι οι ομοφυλόφιλοι άνδρες και γυναίκες εκτίθενται σε υψηλότερα από το σύνηθες επίπεδα ανδρογόνων στη μήτρα. Μια τέτοια εξήγηση φαίνεται λογική λαμβάνοντας υπόψη τις μελέτες αναλογίας δάχτυλου-μήκους. Ωστόσο, φαίνεται ότι θα δυσκολευόταν να εξηγήσει τις μελέτες που υποδεικνύουν ότι οι εγκέφαλοι των ομοφυλόφιλων ανδρών τείνουν να μοιάζουν περισσότερο με αυτούς των ετεροφυλόφιλων γυναικών από ότι με αυτούς των ετεροφυλόφιλων ανδρών. Αυτό δε σημαίνει ότι αυτή η εξήγηση είναι λανθασμένη, αλλά μάλλον ότι ίσως υπάρχουν διαφορετικά γενετικά μονοπάτια για την ομοφυλοφιλία (δηλ. για άλλους μπορεί να είναι θέμα ορμονών, για άλλους μπορεί να είναι εξαιτίας γονιδίων, κτλ). Ως στήριξη αυτής της ιδέας χρειάζεται να έχουμε υπόψη ότι κανένα από τα παραπάνω ευρήματα δεν ταιριάζει με κάθε μεμονωμένη περίπτωση. Για παράδειγμα, δε μοιράζονται όλα τα μονοζυγωτικά δίδυμα τον ίδιο σεξουαλικό προσανατολισμό, μερικοί ομοφυλόφιλοι άνδρες είναι πρωτότοκοι, μερικές ομοφυλόφιλες γυναίκες παρουσιάζουν το πιο θηλυπρεπές μοτίβο στο μήκος των δαχτύλων τους, και ούτω καθεξής. Υπάρχουν αρκετές εξαιρέσεις σε όλα τα ευρήματα που αναφέρθηκαν παραπάνω, το οποίο μας λέει ότι η σεξουαλικότητα είναι πολύπλοκη και πιθανώς καθορίζεται από πολλούς παράγοντες. Τα αποτελέσματα αυτών των ερευνών απλώς αποκαλύπτουν ότι η βιολογία φαίνεται να παίζει κάποιο ρόλο στην ανάπτυξη του σεξουαλικού προσανατολισμού, αλλά δεν είναι απαραίτητα ο μόνος παράγοντας.
