Два принципа закономерности половой дифференцировки в онтогенезе - идентификация и дополнение - находят своё отражение в головном мозге и реализуются в речи и поведении человека. Схема этих механизмов в целом или её часть может изменяться. У транссексуалов схема дополнения, согласующаяся с критериями, определяемыми наружными половыми органами и способностью к деторождению, заменяется схемой идентификации, т.е. мальчик думает, чувствует, представляет, говорит и действует как девочка, стремясь быть ею, и наоборот. Роль постнатальных факторов, вероятно, заключается в перекрёсте половых сигналов, когда одобряется поведение, характерное для другого пола, или порицается присущее в данной культуре своему биологическому полу.
При расстройствах половой идентификации отмечается дискордантность между полом наружных гениталий и полом, представленным на уровне мозга (каким-то одним, хотя в норме представительство бисексуально). Обнаружено значительное нарушение полового коэффициента в пользу женщин (по линии матери) в семьях лиц с мужским транссексуализом, что, возможно, обусловлено инактивацией Х-хромосомы. Описаны особенности ядер лимбической системы и выработки нейропептидов у транссексуалов, характерные для противоположного биологического пола. Показано, что акустические характеристики голоса больных с мужским транссексуализмом совпадают с женскими, а влияние половых стероидов на когнитивные функции и церебральную латерализацию при мужском и женском транссексуализме занимает промежуточное положение между здоровыми мужчинами и женщинами.