45亿年前,月球表面仍然是液体岩浆海洋.科学家认为组成月球的矿物克里普矿物(KREEP)展现了岩浆海洋留下的化学线索.KREEP实际上是科学家称为“不兼容元素”的合成物－－那些无法进入晶体结构的物质被留下,并浮到岩浆的表面.对研究人员来说,KREEP是个方便的线索,来明暸月壳的火山运动历史,并可推测彗星或其他天体撞击的频率和时间.
月壳由多种主要元素组成,包括：铀、钍、钾、氧、硅、镁、铁、钛、钙、铝 及氢.当受到宇宙射线轰击时,每种元素会发射特定的伽玛辐射.有些元素,例如：铀、钍和钾,本身已具放射性,因此能自行发射伽玛射线.但无论成因为何,每种元素发出的伽玛射线均不相同,每种均有独特的谱线特征,而且可用光谱仪测量.
直至现在,人类仍未对月球元素的丰度作出面性的测量.现时太空船的测量只限于月面一部分.例如：1992年伽利略号曾于飞掠月球时测量过元素丰度.[2]
表面地理
月球表面有上万个直径超过1千米的环形山.他们大部分都有上亿年的历史;缺少大気层和气象活动以及缺乏近期地质活动保证了它们大部分永久性的保持原样.
[月球上最大的环形山,也是太阳系内已知最大的,形成了South Pole-Aitken basin. 这环形山位于月球的背面,接近南极的地方,直径约2,240 公里,深13 公里.
那些暗色和较少特征的月球平原叫“月海”,这是由于古代的天文学家认为上面是海洋的缘故.事实上,月海由巨大陨石撞击后从月幔流出并覆盖表面的玄武岩岩浆形成.较浅色的高地叫“月陆”.几乎只有面向地球的月面才有月海,月球背面的月海寥寥可数.天文学家相信这是因为月球的质心比形心更靠近地球所导致的（详请参见月海）.
在月壳上是一层表面呈尘埃状的岩石层,称为月壤,月壤并不是土壤.月壳和月壤在月面的分布并不均匀.月壳的厚度由60公里（月球正面）至100公里（月球背面）不等,月壤则由约5米（月海）至十多米（月陆）.
在2004年,Johns Hopkins University的Ben Bussey博士率领的小组从克莱门汀任务拍摄得来的照片中,发现月球北极Peary crater边沿的4个区域经常受到日照（南极却没有发现类似区域）.这些终年日照区的产生是由于月球的自转轴倾角很小,同样道理,有很多位于两极的陨石坑底经常没有光照.
水的存在
自古以来,彗星和陨星不断地撞击月球.这些物体中的大部分都含有水分.来自阳光的能量将这些大部分的水分分解回组成它的元素,氢和氧.两者通常都会立即飞离月球.但是,有科学家提出假说,认为还有相当含量的水在月球之上,例如在表面或深藏在月壳里.美国克莱门汀任务显示,一些细小的水冰冰块（含水彗星撞击后的碎片）可能藏在永久无日照区域的月壳里未被融化.虽然这些冰块很小,但总水量却可能相当可观（约有1立方公里）
而有些水分子,亦可能在月面弹跳其间掉进陨石坑而藏于其中.由于月球自转轴相对于黄道面法线有1.5度的轻微倾斜,部分极区的陨石坑底部从来没有受阳光照射,处于永久的影子中.克莱门汀任务曾测量月球南极这些陨石坑([3])并绘制成地图([4]) .科学家期望可在此类陨石坑中找到水冰,并开采及利用太阳能电力或核能来电解成氢和氧.月球上可用的水量大大影响了人类在月球上居住的成本,因为从地球运送水（或氢和氧）昂贵得不切实际.
由阿波罗号上的太空人在月球赤道附近收集的岩石并不含任何水分.月球勘探者号或其他近期研究（例如：史密森学会）均没有找到液态水、冰或水蒸汽的直接证据.然而,月球勘探者号的结果指出在永久无日照区有氢,并可能以水冰的形式存在.
磁场
与地球相比,月球的磁场非常弱. 部分地区上的磁场相信是来自月球本身的（例如在Sirsalis月溪上的月壳）,但与其他天体碰撞亦可能令它的磁场改变.而无大气层的天体是否能透过彗星和小行星撞击而获得磁场,是行星科学里一个历久常新的问题.测量月球磁场更可提供月核大小及导电率等资料,对科学家暸解月球起源有很大帮助.若月核比地球含有较多磁性物质（例如：铁）,则月球的撞击起源说便较不可信（不过科学家已从另外一些角度来解释为甚么月核含较小的铁）
大气
月球只有微不足道稀薄的大气. 这些大气的来源之一是除气作用—气体的释放, 例如月球表面的氡气原先就是深藏于月球内部的. 有时,太阳风也会被月球的引力掳获,成为气体的另一重要来源.
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