Les montres à phases de lune reproduisent sur leur cadran le cycle de l'astre des nuits (nouvelle lune, premier quartier, pleine lune, dernier quartier). Les plus sophistiquées sont équipées d'une phase de lune dite «astronomique» qui ne nécessite qu'une correction d'un jour tous les 122 ans.

L'indication de la phase de lune est un complément quasi obligatoire du Calendrier perpétuel mais elle peut également se présenter sans calendrier sur le cadran d'une montre de poche ou montre-bracelet. Les phases de lune s'affichent au moyen d'un système de disque et de guichet ou, plus rarement, grâce à une aiguille. Sur les phases de lune ordinaires, le disque portant deux lunes est entraîné par une roue de 59 dents; un doigt pousse la roue d'un cran toutes les 24 heures. La durée de la lunaison affichée sur le cadran est de 29,5 jours, alors que la durée d'une lunaison réelle est de 29 jours 12 heures 44 minutes 2,8 secondes (29,53 jours). Ce système aboutit donc à un décalage d'un jour en 2 ans 7 mois et environ 20 jours.

Les montres haut de gamme sont dotées d'un dispositif beaucoup plus complexe et précis, dénommé parfois «lune astronomique», avec une roue comportant 135 dents. Avec ce système, la précision de la lunaison est de 29 jours 12 heures 45 minutes. L'écart entre le mécanisme et le véritable cycle lunaire est alors d'un seul jour en 122 ans. Certaines montres affichent également l'«âge de la lune», soit le nombre de jours écoulés depuis la nouvelle lune.