Faza lutealna obejmuje okres od owulacji do następnego krwawienia (zwykle 14 dni). Wytwarzany przez ciałko żółte hormon progesteron powoduje dalsze pogrubienie błony śluzowej macicy oraz wydzielanie przez komórki macicy płynu odżywczego dla przyszłego zarodka. Jeśli nie dojdzie do zapłodnienia, ciałko żółte przestaje wydzielać progesteron i ulega degeneracji. Efektem są zmiany w błonie śluzowej macicy: skurcz naczyń krwionośnych, obumieranie komórek błony śluzowej. Ostatecznie następuje złuszczanie się komórek, pękanie naczyń krwionośnych i krwawienie.
Jeśli nastąpi zapłodnienie, ciałko żółte przekształca się w ciałko żółte ciążowe, które wydziela progesteron.