Główną substancją chemiczną leżącą u podstaw romantycznej miłości jest neuroprzekaźnik oksytocyna. Oksytocyna jest uwalniana podczas orgazmu u obu płci, ale także podczas porodu lub stymulacji sutków u kobiet. Pomaga to w biologicznych funkcjach skurczów mięśni podczas porodu lub laktacji podczas karmienia piersią.
Eksperymenty z nornikami preriowymi wykazały, że po usunięciu genu odpowiedzialnego za oksytocynę ten tradycyjnie monogamiczny gatunek całkowicie traci skłonność do łączenia się w pary. Naukowcy mocno spekulują, że to samo stanie się z ludźmi, jeśli oksytocyna zostanie zablokowana. Miłość romantyczna może zależeć tylko od jednej substancji chemicznej w mózgu.
U mężczyzn obecna jest również wazopresyna, która odgrywa podobną rolę jak oksytocyna. Uważa się, że okres uwalniania oksytocyny jest najsilniejszy w ciągu pierwszych 18 miesięcy romantycznej miłości, po czym ustaje, choć nigdy nie znika całkowicie. Czasami oksytocyna jest żartobliwie nazywana „hormonem przytulania”.
Oprócz miłości, oksytocyna jest również powiązana z więzami społecznymi i ogólnym zaufaniem. Syntetyczna oksytocyna jest dostępna, a niektórzy naukowcy sugerują, że może to być rodzaj „społecznej Viagry”, a eksperymenty wykazały, że ludzie są bardziej ufni, gdy są pod wpływem oksytocyny podawanej donosowo. Ponieważ jest związany zarówno z zaufaniem, jak i miłością, niektórzy naukowcy ostrzegają, że może być używany jako narkotyk gwałtu na randce. Podobnie jak inne neuroprzekaźniki, oksytocyna może być uważana za „naturalny narkotyk” – substancję uwalnianą w mózgu, która powoduje, że zachowujemy się inaczej, ale jest powszechnie akceptowana w ludzkim społeczeństwie, ponieważ istnieje od milionów lat.
Oksytocyna powoduje również, że samice wykazują bardziej matczyne zachowanie. Zaobserwowano to głównie u szczurów, ale podejrzewa się, że reakcja psychochemiczna jest taka sama u ludzi. Różnica między kimś, kto jest uważany za twój „typ” dla romantycznej miłości, a kimś, kto nie jest, prawdopodobnie polega na tym, że obecność jednej osoby powoduje uwalnianie oksytocyny, a jedna nie. To jest neurochemiczna podstawa romantycznej miłości.
Dopamina, neuroprzekaźnik leżący u podstaw przyjemności w ogóle, również odgrywa rolę w romantycznej miłości i jest uwalniana od czynników środowiskowych, od dobrej rozmowy po pocałunek w usta.