A fase luteal é o dia após a ovulação até ao dia antes do início da menstruação. Após a ovulação, o corpo lúteo dos ovários forma-se, secretando progesterona, mantendo a espessura do endométrio, inibindo a contracção uterina e facilitando a fertilização do óvulo. Se o folículo não for fertilizado, o endométrio desintegra-se e cai, sangrando para a menstruação. Durante o período menstrual os níveis de estrogénio e progesterona no corpo são baixos, à medida que o folículo cresce, o endométrio segrega o estrogénio e prolifera, após a ovulação, o corpo lúteo forma-se e começa a secretar progesterona, o sangue pode detectar um aumento gradual dos valores de progesterona, se o folículo não for fertilizado, o corpo lúteo atrofia, a progesterona cai acentuadamente e a menstruação chega. Durante a fase luteal, a temperatura corporal basal aumenta mas está dentro do intervalo normal. A temperatura corporal basal pode ser utilizada para determinar se há ovulação e se o corpus luteum está a funcionar correctamente.