Fase luteal dimulai setelah ovulasi. Itu berlangsung sekitar 14 hari (kecuali terjadi pembuahan) dan berakhir tepat sebelum periode menstruasi.

Pada fase ini, folikel yang pecah menutup setelah melepaskan telur dan membentuk struktur yang disebut corpus luteum, yang menghasilkan peningkatan jumlah progesteron. Progesteron yang diproduksi oleh corpus luteum melakukan hal berikut:

• Mempersiapkan rahim jika embrio ditanamkan
• Menyebabkan endometrium menebal, mengisi dengan cairan dan nutrisi untuk memelihara embrio yang potensial
• Menyebabkan lendir di leher rahim menebal, sehingga sperma atau bakteri lebih kecil kemungkinannya memasuki rahim
• Menyebabkan suhu tubuh sedikit meningkat selama fase luteal dan tetap meningkat sampai periode menstruasi dimulai (peningkatan suhu ini dapat digunakan untuk memperkirakan apakah ovulasi telah terjadi)
• Selama sebagian besar fase luteal, tingkat estrogen tinggi. Estrogen juga menstimulasi endometrium untuk menebal.
• Peningkatan kadar estrogen dan progesteron menyebabkan saluran susu di payudara membesar (melebar). Akibatnya, payudara bisa membengkak dan menjadi lunak.

Jika telur tidak dibuahi atau jika telur yang dibuahi tidak ditanam, corpus luteum merosot setelah 14 hari, kadar estrogen dan progesteron menurun, dan siklus menstruasi baru dimulai.