Η κύρια χημική ουσία που κρύβεται στη ρομαντική αγάπη είναι ο νευροδιαβιβαστής ωκυτοκίνη. Η ωκυτοκίνη απελευθερώνεται κατά τη διάρκεια του οργασμού και για τα δύο φύλα αλλά και κατά τον τοκετό ή τη διέγερση της θηλής για τις γυναίκες. Αυτό βοηθά στις βιολογικές λειτουργίες των μυϊκών συσπάσεων κατά τη γέννηση ή τη γαλουχία για το θηλασμό.
Πειράματα με όγκους λιβαδιών έδειξαν ότι, όταν αφαιρεθεί το γονίδιο της ωκυτοκίνης, αυτό το παραδοσιακά μονογαμικό είδος χάνει την τάση του για ζεύγη εντελώς. Οι επιστήμονες εικάζουν έντονα ότι το ίδιο θα συνέβαινε και για τους ανθρώπους εάν αποκλείονταν η ωκυτοκίνη. Η ρομαντική αγάπη μπορεί να εξαρτάται από μια μόνο χημική ουσία του εγκεφάλου.
Στα αρσενικά, υπάρχει επίσης αγγειοπιεστίνη, η οποία παίζει παρόμοιους ρόλους με την ωκυτοκίνη. Πιστεύεται ότι η περίοδος απελευθέρωσης ωκυτοκίνης είναι η ισχυρότερη στους πρώτους 18 μήνες της ρομαντικής αγάπης και ακολουθεί μετά, αν και δεν εξαφανίζεται ποτέ εντελώς. Μερικές φορές η ωκυτοκίνη ονομάζεται ιδιότροπα «η ορμόνη της αγκαλιάς».
Εκτός από την αγάπη, η ωκυτοκίνη έχει επίσης εμπλακεί στους κοινωνικούς δεσμούς και την εμπιστοσύνη γενικότερα. Η συνθετική ωκυτοκίνη είναι διαθέσιμη και ορισμένοι επιστήμονες πρότειναν ότι θα μπορούσε να είναι ένα είδος «κοινωνικού Viagra» και όντως τα πειράματα έχουν δείξει ότι οι άνθρωποι είναι πιο αξιόπιστοι ενώ βρίσκονται υπό την επίδραση της ρινικά χορηγούμενης ωκυτοκίνης. Επειδή εμπλέκεται τόσο στην εμπιστοσύνη όσο και στην αγάπη, ορισμένοι επιστήμονες έχουν προειδοποιήσει ότι θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί ως φάρμακο βιασμού ραντεβού. Όπως και άλλοι νευροδιαβιβαστές, η ωκυτοκίνη μπορεί να θεωρηθεί ως «φυσικό φάρμακο» – μια ουσία, όταν απελευθερώνεται στον εγκέφαλο, η οποία μας κάνει να ενεργούμε διαφορετικά, αλλά είναι κοινά αποδεκτή στην ανθρώπινη κοινωνία επειδή υπάρχει εδώ και εκατομμύρια χρόνια.
Η ωκυτοκίνη προκαλεί επίσης στις γυναίκες να επιδεικνύουν περισσότερη συμπεριφορά σαν τη μητέρα. Αυτό έχει παρατηρηθεί κυρίως σε αρουραίους, αλλά υπάρχει υποψία ότι η ψυχοχημική αντίδραση είναι η ίδια στους ανθρώπους. Η διαφορά μεταξύ κάποιου που θεωρείται «τύπος» σας για ρομαντική αγάπη και κάποιου που δεν είναι είναι ότι η παρουσία ενός ατόμου προκαλεί απελευθέρωση ωκυτοκίνης και ενός ατόμου όχι. Αυτή είναι η νευροχημική βάση που κρύβεται πίσω από τη ρομαντική αγάπη.
Η ντοπαμίνη, ο νευροδιαβιβαστής που υποκρύπτει την ευχαρίστηση γενικά, παίζει επίσης ρόλο στη ρομαντική αγάπη και απελευθερώνεται από περιβαλλοντικούς παράγοντες από μια καλή συζήτηση σε ένα φιλί στα χείλη.