冬場に尿意の回数が増加する現象には、人体に備わった緻密な体温維持システムが深く関わっています。その中心的な役割を担うのが寒冷利尿（かんれいりにょう）と呼ばれる生理現象です。外気温が低下すると、身体は深部体温を逃さないように皮膚表面や手足の末梢血管を急激に収縮させます。この血管収縮により、末梢から押し出された血液が身体の中心部である大血管や内臓に集中します。
体内の中枢センサーは「体内の血液量が過剰になった」と判断し、血圧の上昇を抑えるために心房性ナトリウム利尿ペプチド（ANP）などの利尿ホルモンを分泌します。その結果、余剰となった水分が急速に腎臓でろ過され、短時間で大量の尿が作られる仕組みです。
加えて、冬は夏場と異なり皮膚からの不感蒸泄や発汗による水分喪失が1日あたり約300〜500ml減少します。呼吸や汗から抜けない水分が尿として排出されることも回数増加を後押しします。さらに見逃せないのが、脳下垂体から分泌される抗利尿ホルモン（バソプレシン）の分泌低下です。通常、このホルモンは尿の濃縮を促して水分を体内に保持しますが、寒さ刺激や加齢に伴う日内リズムの乱れによって分泌量が低下すると、薄い尿が大量に膀胱へ送り込まれることになります。
寒さは自律神経のうち交感神経を優位に働かせます。交感神経の興奮は膀胱を弛緩させる一方で、寒冷刺激そのものが膀胱知覚神経を直接刺激し、膀胱平滑筋（排尿筋）が不随意に痙攣・収縮を起こしやすくなります。まだ尿が半分も溜まっていない段階で「限界に近い」と脳へ誤ったシグナルを送ってしまうため、切迫した尿意を頻繁に覚えるのです。
