黄体功能不足的发病机制主要是黄体期失调所致。黄体的形成和合成，分泌孕酮的功能与排卵前的LH（促黄体生成激素）峰及黄体期的LH持续分泌有关，经证实在黄体期的中期用GnRH（促性腺激素释放激素）拮抗剂后孕酮突然降低，若加HCG则孕酮可回升。垂体促性腺激素及雌激素分泌不足，则卵泡发育成熟将不会完善，卵巢虽能排卵，但黄体发育常受影响而出现黄体功能不足的现象。
子宫内膜分泌化不良可致黄体功能不全
黄体功能不足的发病机制主要是黄体期失调所致。黄体的形成和合成，分泌孕酮的功能与排卵前的LH（促黄体生成激素）峰及黄体期的LH持续分泌有关，经证实在黄体期的中期用GnRH（促性腺激素释放激素）拮抗剂后孕酮突然降低，若加HCG则孕酮可回升。此外，尚发现黄体功能不足时LH排卵峰和中、晚期黄体期的LH水平均明显低于对照组，正常黄体期LH脉冲分泌的特点是频率低、幅度高，当黄体期LH脉冲分泌的频率或幅度异常时，都会影响黄体功能。
近年发现运动量过大和体重过轻均易发生黄体功能不足。强烈运动者常有黄体功能不足，且LH脉冲频率低，而慢跑锻炼者却无此现象。突然的强烈运动会影响卵泡生成，继而影响黄体功能，使孕酮的合成减少。
体重过轻会导致黄体功能不足，甚至出现闭经。尚发现以素食为主，低热量时体重未降，但LH脉冲频率降低，黄体功能不足。在早、中期黄体期以大黄体细胞为主，分泌的孕酮2倍于小黄体细胞。在中、晚期黄体期大黄体细胞对LH反应日渐变差，此时的孕酮主要由小黄体细胞分泌，故大黄体细胞缺陷则导致早、中期黄体功能不足，而晚期黄体功能不足系小黄体细胞功能缺陷。有报道认为早、中期黄体期孕酮分泌不足，主要影响子宫内膜腺体；晚期黄体期孕酮分泌不足时主要影响子宫内膜的间质。
虽黄体的主要功能是分泌孕酮使内膜成熟，但黄体分泌的雌激素具协同作用，若中期黄体期时雌、孕激素的比值升高或下降均影响子宫内膜，此事实已在体外受精中被证实。
孕前黄体功能不足可致女性不孕
正常情况下卵巢排卵后，卵泡将黄素化形成黄体并分泌雌孕激素，分泌量于排卵后7-8天达高峰，然后于月经前1-2天迅速下降。若垂体促性腺激素及雌激素分泌不足，则卵泡发育成熟将不会完善，卵巢虽能排卵，但黄体发育常受影响而出现黄体功能不足的现象。
黄体功能不足包括黄体期缺陷和黄体期缩短，可引起分泌期子宫内膜发育不良而致孕卵不易着床，或虽着床而早期流产。有些妇女受孕后流产极早，可能仅见到月经周期延迟了1天至数天。临床上无从察觉是流产，有人称之为隐匿妊娠。黄体功能不足约占不孕病因的3%-8%。
黄体功能不足的病因可能是来自垂体促性腺激素分泌功能欠佳或黄体生成素/卵泡刺激素分泌的时相与协调不适当，也可因子宫内膜的雌激素增殖作用准备不足或内膜对黄体激素反应欠缺，部分原因可由高催乳素血症引起。近年有报道，黄体缺陷常发生在不孕症的治疗过程中，如临床上常见经克罗米芬治疗后，诱发排卵率虽高而妊娠率相对较低。有人报道，用克罗米芬治疗观察到黄体期缺陷占20%-50%。因此，用诱发排卵药物不应仅观察其是否能促成排卵，还需注意排卵后的黄体功能是否良好。
