Galvenā ķīmiskā viela, kas ir romantiskas mīlestības pamatā, ir neirotransmiters oksitocīns. Oksitocīns izdalās orgasma laikā abiem dzimumiem, bet arī dzemdību vai krūtsgala stimulācijas laikā sievietēm. Tas palīdz muskuļu kontrakciju bioloģiskajām funkcijām dzemdību vai laktācijas laikā zīdīšanas laikā.
Eksperimenti ar prēriju pelēm ir parādījuši, ka tad, kad tiek noņemts oksitocīna gēns, šī tradicionāli monogāmā suga pilnībā zaudē tendenci veidot pārus. Zinātnieki stingri apgalvo, ka tas pats notiktu cilvēkiem, ja oksitocīns tiktu bloķēts. Romantiska mīlestība var būt atkarīga tikai no vienas smadzeņu ķīmiskās vielas.
Vīriešiem ir arī vazopresīns, kas spēlē līdzīgu lomu kā oksitocīnam. Tiek uzskatīts, ka oksitocīna izdalīšanās periods ir visspēcīgākais romantiskas mīlestības pirmajos 18 mēnešos un pēc tam izzūd, lai gan nekad neizzūd pilnībā. Dažreiz oksitocīnu dīvaini sauc par “glāstīšanas hormonu”.
Papildus mīlestībai oksitocīns ir saistīts arī ar sociālajām saitēm un uzticību kopumā. Ir pieejams sintētiskais oksitocīns, un daži zinātnieki ir ierosinājuši, ka tas varētu būt sava veida “sociālā Viagra”, un patiešām eksperimenti ir parādījuši, ka cilvēki vairāk uzticas, atrodoties degunā ievadītā oksitocīna ietekmē. Tā kā tas ir saistīts gan ar uzticēšanos, gan mīlestību, daži zinātnieki ir brīdinājuši, ka to var izmantot kā randiņu izvarošanas narkotiku. Tāpat kā citus neirotransmiterus, oksitocīnu var uzskatīt par “dabisku narkotiku” — vielu, kas, izdaloties smadzenēs, liek mums rīkoties citādi, taču ir vispārpieņemta cilvēku sabiedrībā, jo pastāv jau miljoniem gadu.
Oksitocīns arī izraisa mātīšu uzvedību, kas līdzinās mātei. Tas galvenokārt novērots žurkām, bet ir aizdomas, ka psihoķīmiskā reakcija cilvēkiem ir tāda pati. Atšķirība starp kādu, kurš tiek uzskatīts par jūsu “tipu” romantiskai mīlestībai, un kādu, kurš tāds nav, iespējams, ir tāda, ka viena cilvēka klātbūtne izraisa oksitocīna izdalīšanos, bet viena cilvēka klātbūtne to nedara. Tas ir romantiskās mīlestības pamatā esošais neiroķīmiskais pamats.
Dopamīns, neiromediators, kas ir pamatā priekam, arī spēlē lomu romantiskā mīlestībā, un tas tiek atbrīvots no vides izraisītājiem, sākot no labas sarunas līdz skūpstam uz lūpām.