月亮，又称月球，质量相当于地球的1.2%，直径大约是地球的四分之一，即3474公里，大约和澳大利亚一样宽，它的表面引力约为地球的六分之一，约为火星的一半，因为地心引力使月球的自转锁定在地球上，所以月球只有固定的一面朝向地球，月球表面覆盖着月球尘埃，山脉、陨石坑、月球样本的同位素年代测定表明，月球形成于太阳系起源后大约5000万年，目前主流学界，已经提出了几种形成机制，但没有一个能令人满意地解释地月系统的特征。如果月球通过离心力从地壳中分裂出来，那么地球的初始自转速率就会太大。对一个预先形成的月球的引力捕获依赖于一个不可行的地球延伸大气层来耗散经过月球的能量。地球和月球在原始吸积盘中的共同形成并不能解释月球上金属的枯竭。这些假设都不能解释地月系统的高角动量
目前最流行的月球形成理论是，地月系统是在一个火星大小的天体(名为theia忒伊亚)与原地球proto-Earth的巨大撞击后形成的，斜向撞击将物质喷射到地球轨道上，这些物质吸积形成了月球，巨大的撞击被认为在太阳系早期是很常见的。对巨大撞击的计算机模拟得出的结果与月球核心的质量和地月系统的角动量一致。这些模拟表明，月球的大部分来自撞击体，而不是原始地球。然而，2007年及之后的模型表明，月球的更大一部分来自原始地球。比如太阳系内部的其他天体，如火星和灶神星，根据它们的陨石，与地球相比，氧和钨的同位素组成非常不同。然而，地球和月球的同位素组成几乎相同。
虽然大碰撞理论解释了许多证据，但仍有一些问题尚未解决，其中大多数涉及月球的组成。例如月球获得了大量原地球物质的理论模型很难与的地球化学数据如锆石、硅和其他元素同位素相协调。但根据最近即2023年11月1日的一份科学报告，最新的计算机模拟显示一颗名为忒伊亚的原行星的残余物可能就在地球内部，这是在远古与地球碰撞后留下的，而其余的物质后来形成了月球。在形成之后，月球基本冷却，它的大部分大气被剥离。从那以后，月球表面经历了大大小小的撞击事件，形成了一个以各个时代陨石坑为特征的表面。
另外一个月球表面的主要特征就是除了这些陨石坑之外的低洼区域，在人类技术水平不发达的过去，这些区域一直被观察为颜色暗淡，被误以为是月球上的海洋，简称月海，而世纪实际上这些区域是大约12亿年前，月球的火山活动在当时很活跃，喷发后冷却的岩浆平原， 形成了这些看起来很暗的低洼区域，而月球的整体成一个非常轻微的不等边椭球体，这是由于和地球之间引力导致潮汐现象的拉伸所形成的。除了以上介绍的这些月球外部特征，月球也有和地球类似的内部构造，即地壳、地幔和地核。月球有一个富含铁的固体内核，半径可能只有240公里，一个主要由液态铁组成的流体外核，半径大约300公里。核心周围是一个半径约500公里的部分熔融边界层这种结构被认为是在45亿年前月球形成后不久，通过岩浆海洋的分离结晶而发展起来的。
岩浆海洋的结晶作用会形成一个基性地幔，由矿物橄榄石、斜辉石和正辉石的沉淀和下沉形成;在大约四分之三的岩浆海洋结晶之后，低密度的斜长石矿物就可以形成并漂浮到顶部的地壳中。最终结晶的液体最初会夹在地壳和地幔之间，其中含有大量不相容的产生热量的元素。而从轨道上绘制的地球化学地图表明地壳主要是斜长岩，这也侧面证实了以上观点，而由于地幔部分融化而喷发到月球表面的洪水熔岩的月球岩石样本进一步证实了基性地幔的组成，它比地球的铁含量更高，地壳的平均厚度约为50公里。覆盖在月球地壳顶部的是一层高度粉碎(破碎成更小的颗粒)，由撞击过程形成的灰色表层被称为风化层。较细的风化层，即二氧化硅玻璃的月球土壤，具有类似雪的质地和类似废火药的气味。
月球表面的大气层非常稀薄，几乎是真空，总质量不到10吨。由于缺乏大气，不同地区的温度变化，特别是在阳光下或阴影下差异极大，根据太阳辐照度的不同，月球表面暴露在零上140°C到零下 171°C的剧烈温差下，这也使得地形细节对当月球表面温度起决定性作用，许多陨石坑的部分，特别是极地陨石坑的底部，被永久地遮蔽，这些永久黑暗的地区有着极低的温度。月球勘测轨道飞行器测得南极陨石坑夏季最低温度为- 238°C和−247°C，这是宇宙飞船所测到的太阳系中最冷的温度，甚至比冥王星表面还要冷。月表的这种极端环境也导致液态水不能在月球表面持续存在。当暴露在太阳辐射下时，水会通过一种被称为光解的过程迅速分解，并消失在太空中。
然而，自20世纪60年代以来，科学家们假设彗星撞击以及富含氧气的月球岩石和太阳风产生的氢反应都为月球提供了水的来源，并在月球两极寒冷、永久阴影的陨石坑中留下了水的痕迹。而计算机模拟表明，高达14000平方公里的月表可能处于永久阴影之中。而这些地区都是月球水冰潜在的储存地，而后续的探测也证实了这种假设，由1971年阿波罗15号带回地球的火山熔岩珠显示其内部有少量的水。2008年的月船1号宇宙飞船利用月球矿物绘图仪证实了月球表面水冰的存在。光谱仪在反射的太阳光中观察到羟基共有的吸收线，提供了月球表面存在大量水冰的证据。宇宙飞船显示其浓度可能高达1000ppm。
2009年，LCROSS将一个2300公斤(5100磅)的撞击器送入了一个永久阴影的极地陨石坑，并在喷出的物质羽流中检测到至少100公斤(220磅)的水。对LCROSS数据的另一项检查显示，探测到的水量接近155±12公斤(342±26磅)。2011年5月，据报道，月球样品74220的熔体包裹体中含有615-1410 ppm的水，[160]是1972年阿波罗17号任务期间收集的著名的高钛“橙色玻璃土壤”。 2018年8月，对月球矿物绘图仪(M3)发现的分析首次揭示了月球表面存在水冰的“确凿证据”。利用映射器的反射光谱，揭示了水冰的明显反射特征，而不是尘埃和其他反射物质。阴影区域的间接照明证实了两极20°纬度范围内的水冰。冰沉积是在北极和南极发现的，尽管在南极更丰富，那里的水被永久地困在阴影中的陨石坑和裂缝中，使其在表面上以冰的形式存在，因为它们与太阳隔绝。
人类对月球开始真正意义上的研究当然是望远镜发明之后，1609年，伽利略·伽利莱用一台早期的望远镜为他的著作《恒星使者》(Sidereus Nuncius)绘制了月球的图画，并推断月球并非光滑，而是有山脉和陨石坑。而真正开始对月球进行探索则是二战之后美苏争霸的冷战时期，苏联的月球计划的宇宙飞船月球1号在1959年逃离了地球的引力并在月球附近经过。那年9月13日，物体月球2号通过故意撞击到达了月球表面。到年底，月球3号作为第一个人造物体到达了通常被遮挡的月球背面，并拍摄了第一批照片。第一个成功完成月球软着陆的航天器是月球9号，第一个绕月飞行的航天器是月球10号，两者发生在1966年，
而紧随其后的就是美国的登月计划，1968年阿波罗8号首次载人进入月球轨道，1969年7月21日世界时02:56，尼尔·阿姆斯特朗作为美国阿波罗11号任务的指挥官首次踏上月球，成为第一个在月球上行走的人。从那时到1972年，在阿波罗12号、14号、15号、16号和17号，陆续又将5名宇航员送往月球，阿波罗17号机组人员停留时间最长的是75个小时，这也是美国最后一次载人登月任务，也是人类官方记录的最后一次登月，尽管从那时起，再也没有人类被送上月球，但美苏仍旧通过发射航天器和登录器来继续对月球进行探索，苏联解体后，后继的俄罗斯基本退出了月球探索的行列，全球仅剩美国一家，而后中国和印度先后成功在月球登录探测器，中国在2010到2020期间，嫦娥系列的探测车先后登录月球表面，并带回了土壤样本。
美国曾在21世纪初提出重返月球的计划，但由于经济，政策等种种原因，一直停留在构想阶段，因此到目前为止，真正意义上登录过月球表面人类还仅仅是50多年前阿波罗系列探测器送上去那12名宇航员，也只有他们亲自感受过月球的环境，多数人都已过时，但自从人类踏上月球的第一步开始，到今天这半个多世纪的时间里，人类掌握的关于月球的信息越来越丰富，但伴随而来的谜题也越来越多，我们将下篇归纳几个流传依旧的谜题，并试图寻找背后的真相.