Multe comportamente ale animalelor diferă între sexe și sunt, prin urmare, denumite dimorfice sexual (dimorfe înseamnă două forme). Majoritatea acestor comportamente dimorfice sexual fac parte din repertoriul reproductiv. Un bun exemplu este evident la păsările cântătoare. La multe specii, masculul produce cântec complex, în timp ce femela nu. Producția de cântece la păsările masculine provine din activitatea unor nuclei cerebrali specifici a căror creștere și conectivitate depind de prezența testosteronului în timpul unei perioade critice de dezvoltare (a se vedea caseta B din capitolul 24). La rozătoare, multe comportamente dimorfice sexual sunt, de asemenea, asociate cu reproducerea. Exemple sunt amorsarea organelor genitale pentru actul sexual și o poziție stereotipă asumată în timp ce faceți sex (lordoză pentru femei, montare pentru bărbați). La fel cum curtarea și comportamentele asociate cu actul sexual pot fi dimorfe, alte comportamente reproductive, cum ar fi construirea de cuiburi, îngrijirea tinerilor, căutarea hranei, alăptarea etc. pot lua două forme diferite la femei și bărbați. La om, diferitele comportamente ale bărbaților și femelelor pot fi mult mai subtile, incluzând simțul identității sexuale, alegerea unui partener sexual și comportamente care nu au legătură directă cu funcția sexuală sau reproductivă, cum ar fi gândirea spațială și folosirea limbajului.
În exemplele umane și animale, diferențele de comportament se bazează pe detaliile circuitelor neuronale subiacente. În consecință, neurobiologii au căutat de mult timp diferențele dintre creierul femeilor și al bărbaților care ar putea explica sexual comportamentele dimorfe și, așa cum este descris în secțiunile ulterioare, au găsit multe exemple. Aceste diferențe în sistemul nervos, precum diferențele de comportament pe care le dau naștere, sunt denumite și dimorfice sexual. Rețineți totuși că, în timp ce diferențele creierului în animalele precum rozătoarele au adesea două forme distincte, la femelele și bărbații umani aceste diferențe neuronale probabil variază de-a lungul unui continuum.