Parallèlement au cycle ovarien, il se produit également une modification cyclique de la muqueuse utérine (cycle utérin ou cycle menstruel). Au cours du cycle utérine l'endomètre passe par trois phases: la phase proliféerative, la phase sécrétoire et la phase menstruelle.
Durant la phase proliférative (partie de la phase folliculaire du cycle ovarien, environ du 5ème au 14ème jour du cycle utérin), la couche fonctionnelle (stratum functionale endometrii), qui a été éliminée durant la phase de desquamation, est rétablie.
La phase sécrétoire (partie de la phase lutéale, environ du 15ème au 18ème jour du cycle) commence environ un jour après l'ovulation. La prolifération de l'endomètre cesse. On constate l'accumulation de granules de glycogène dans la partie basale du cytoplasme des épithéliums. Le stroma utérin devient œdémateux. Les cellules du stroma s'hypertrophient et se transforment en cellules pré-déciduales. Vers la fin de cette phase (dernière partie de la phase lutéale), les artères spiralées se contractent, provoquant une sous-perfusion ou une ischémie de la couche fonctionnelle.
La phase de desquamation ou menstruation (phase folliculaire précoce) signifie le saignement menstruel ou règles qui durent en moyenne 4 à 5 jours. Les artères spiralées de l'endomètre se relâchent. Du sang circule dans la couche fonctionnelle ischémique, les parois des capillaires se rompent, et on assiste à un saignement dans la fonctionnelle. La couche fonctionnelle se décompose et est éjectée ensemble avec le sang artériel et veineux n'ayant pas coagulé. La couche basale (stratum basale endometrii) est conservée. Le cycle suivant commence.
En cas de grossesse, le blastocyste sécrète la HCG (human chorionic gonadotropin). C'est ainsi que le corps jaune est maintenu et continue son développement pour devenir le corps jaune gravidique, qui assure une concentration élevée de progestérone. Durant la phase sécrétoire, le stroma de l'endomètre est transformé en caduque (Développement du placenta). La menstruation n'a pas lieu.