Primarna kemikalija, na kateri temelji romantična ljubezen, je nevrotransmiter oksitocin. Oksitocin se sprošča med orgazmom pri obeh spolih, pa tudi med porodom ali stimulacijo bradavic pri ženskah. To pomaga pri bioloških funkcijah mišičnih kontrakcij med porodom ali dojenjem med dojenjem.
Poskusi s prerijskimi voluharicami so pokazali, da ta tradicionalno monogamna vrsta po odstranitvi gena za oksitocin popolnoma izgubi težnjo po povezovanju parov. Znanstveniki močno domnevajo, da bi se enako zgodilo tudi ljudem, če bi blokirali oksitocin. Romantična ljubezen je lahko odvisna od ene same možganske kemikalije.
Pri moških je prisoten tudi vazopresin, ki ima podobno vlogo kot oksitocin. Menijo, da je obdobje sproščanja oksitocina najmočnejše v prvih 18 mesecih romantične ljubezni, nato pa ugasne, čeprav nikoli popolnoma ne izgine. Včasih se oksitocin čudaško imenuje “hormon ljubkov”.
Poleg ljubezni je bil oksitocin vpleten tudi v družbene vezi in zaupanje na splošno. Sintetični oksitocin je na voljo in nekateri znanstveniki so predlagali, da bi to lahko bila nekakšna »socialna Viagra«, in dejansko so poskusi pokazali, da so ljudje bolj zaupljivi, ko so pod vplivom nazalno danega oksitocina. Ker je vpleten v zaupanje in ljubezen, so nekateri znanstveniki opozorili, da bi ga lahko uporabili kot zdravilo za posilstvo na zmenkih. Tako kot drugi nevrotransmiterji lahko tudi oksitocin obravnavamo kot »naravno drogo« – snov, ki se sprošča v možganih, zaradi katere delujemo drugače, vendar je v človeški družbi splošno sprejet, saj obstaja že milijone let.
Oksitocin povzroča tudi, da se samice bolj obnašajo kot matere. To so opazili predvsem pri podganah, vendar se sumi, da je psihokemični odziv enak pri ljudeh. Razlika med nekom, ki velja za vaš “tip” za romantično ljubezen, in nekom, ki ni, je verjetno v tem, da prisotnost ene osebe povzroči sproščanje oksitocina, ena oseba pa ne. To je nevrokemična osnova romantične ljubezni.
Dopamin, nevrotransmiter, na katerem temelji užitek na splošno, ima tudi vlogo pri romantični ljubezni in se sprosti iz okoljskih sprožilcev od dobrega pogovora do poljuba na ustnice.