基礎体温上で高温相の持続が１０日未満のもの、あるいは低温相と高温相との差が小さいものに黄体機能不全が疑われます。そこで、排卵から１週間目頃の血液を調べてプロゲステロンのレベルが正常域に達しているかどうかを調べることで黄体機能不全を診断します。

　さらに直接的な診断法としては子宮内膜検査があります。黄体期の中期に細かい耳かきのような器具を直接子宮腔に挿入し、内膜組織の一部を採取します。その組織を処理して顕微鏡で見ますと、子宮内膜の組織が正常に増殖しているか、正常な黄体期分泌期内膜（黄体期の子宮内膜の状態）であるのか否かわかります。子宮内膜の成熟度が２日以上遅延していると黄体機能不全と診断されますが、信頼性に問題があるとの指摘もありますから、いろいろな検査結果から総合的に判断する必要があります。