月内部の構造はアポロ計画の際に設置された月震計で明らかになった。中心から700 - 800kmの部分は液体の性質を帯びており、液体と固体の境界付近などでマグニチュード1 - 2程度の深発月震が多発している。また、浅発月震と呼ばれる地下300km前後を震源とする揺れは、マグニチュード3 - 4にもなるが、発生原因の特定はできていない。表面から60kmの部分が地球の地殻に相当し、斜長石の比率が高い。月の内部は地球型惑星と同様に岩石と金属からなり、深さによって密度ごとに成層した（分化した）天体である。
月はナトリウムやカリウムなどからなる大気を持つが、地球の大気に比べると1017分の1（10京分の1）ほどの希薄さであり、表面は実質的に真空であるといえる。したがって、気象現象が発生しない。月面着陸以前の望遠鏡の観測からも月には大気がないと推定されていたが、1980年代にアメリカ航空宇宙局（NASA）によって実際は希薄ながらも大気が存在することが確認された。
水の存在も観測では確認されていなかったが、2009年11月にNASAによって南極に相当量の水が含まれることが確認された。ただし、水は極地に氷の形で存在するだけであって、熱水（鉱化溶液）による元素の濃集は起きないとされており、熱水鉱脈は存在しないと推定されている。しかしながら、マグマへの濃集は起きていたためチタンなどの含有量が非常に多い地質体も存在する。
現在は月の火山活動（英語版）は認められず、マントル対流も存在しないが、少なくとも25億年前までは火山活動があったことが確認されている。溶岩流によって形成された月の溶岩洞（溶岩チューブ）も確認できる[16]。
磁場は地球の約1/10,000ときわめて微弱である。月には全球的に明瞭な固有磁場が存在せず、局所的に、磁場が異常に強い地域と弱い地域が混在している[17]。月はかつて全球的に磁場を有していたが、液体の金属核の凝固に伴って消滅し、局所的な磁場だけが残ったと考えられている。2014年5月に発表された研究成果によれば、現在の月には大規模な磁場はないが、約40億年前の月中心部では溶けた鉄が活発に運動し磁場を発生させていたことがわかった[15]。 この節は検証可能な参考文献や出典が全く示されていないか、不十分です。出典を追加して記事の信頼性向上にご協力ください。（このテンプレートの使い方）
表面
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「月の地質」も参照表側（地球から見える側）裏側 黒っぽく見える海が少ない月の北極周辺 夏期 ルナー・リコネサンス・オービターによる写真の合成イメージ月の南極周辺（南緯70-90度）クレメンタイン (探査機)による写真の合成イメージ 常に日光が当たらない領域（永久影）が中心のクレーター内に見られる。
月の表側（地球から観測される側）の北緯60度 - 南緯30度にわたる領域は光をあまり反射せず黒く見えることから、海と呼ばれている。海は月表面の35パーセントを占めるが、月の裏側にはほとんど存在せず、高地と呼ばれる急峻な地形からなる。月の海は、まだ内部が熱く溶け、地表の下に溶岩がある時代に隕石の衝突によって生じたクレーターの底から玄武岩質の溶岩がにじみ出てクレーターが埋められたものとされている。約20kmの厚みがある冷えて固まった黒っぽい玄武岩の層で覆われているために光をあまり反射せず、他と比べて暗く見える。@media screen{.mw-parser-output .fix-domain{border-bottom:dashed 1px}}表側にのみ海が存在するのは、そちら側に集中して熱を生み出す放射性物質が存在したためであるとか、また、地球からの重力の影響により、より強い重力の働く地球側でのみ溶岩が噴出したためとする説も存在するが、現在のところ定説はない。[要出典]
海以外の部分は、小石が集まった角礫岩から構成されている。これは太陽系初期から残った微惑星の衝突によって生じたものである。月には大気がほとんど存在しないため、微小な隕石もそのまま月面に衝突してクレーターをつくる。また水や風、動植物による物理的な浸食や地殻変動の影響を受けることもないので、更に他の物体衝突が無い限りほとんどのクレーターがそのまま残る。
大気が少なく、磁場が弱いために宇宙線や太陽風なども直接月面に到達するため、月面での生命活動に際しては、これらを防ぐ必要がある。また、昼夜の表面温度変化も大きく、赤道付近で昼は約110℃、夜は約-170℃となる。自転軸の傾きにより多少の季節はあるが、気象現象は無いので表面温度変化は月の1日を通じてほぼ一定の変化をする[18]。なお、月の公転周期が約27.3日であるのに対して、満ち欠けが約29.5日となっているのは、月が公転する間地球も太陽の周りを公転しており、その分余計に公転しなければならないためである[19]。
月面は砂（レゴリス）によって覆われている。レゴリスは隕石などによって細かく砕かれた石が積もったものであり、月面のほぼ全体を数十cmから数十mの厚さで覆っている。これはおよそ200kgの体重と装備が、重力によりおよそ30kg相当となった人間が残した足跡からも観測できる。より新しいクレーターなどの若い地形ほど層が浅い。その粒子は非常に細かく、宇宙服や精密機械などに入り込みやすく、問題を起こす。しかしその一方でレゴリスの約半分は酸素で構成されており、酸素の供給源や建築材料としても期待されている。また太陽風によって運ばれた水素やヘリウム3が分布密度は小さいものの吸着されており、核融合燃料になると考えられている。
両極付近のクレーター内には「永久影」と呼ばれる常に日陰となる領域があるため、氷が存在している可能性が高いと言われている。
2009年9月、無人月探査機チャンドラヤーン1号（ISRO：インド）および土星探査機カッシーニと彗星探査機ディープ・インパクト（いずれもNASA：アメリカ）の3探査機によって、月に水もしくは水の基となるヒドロキシ基が存在していることが確認されたと発表された。存在範囲は月面全体に薄く広がっている状態で、月において水もしくはヒドロキシ基を約1リットル集めるのに、月の土壌約0.76立方メートルが必要だと試算されている。確認された水もしくはヒドロキシ基は、太陽風によって運ばれた水素イオンが月面にある酸素を含んだ鉱物やガラス様物質に衝突した結果生じたものと考えられ、将来の月面探査・月面基地計画において、抽出して水素と結合すれば真水を生成可能とされている[20][21]。
同年10月9日、NASAの月探査機エルクロスが月の南極付近にあるカベウスクレーターに衝突した。衝突による閃光や噴出物を観測したところ、上層部分からは細かい塵や水蒸気が、下層部分の土砂からも水分が確認された。合計水分量は約95リットルだという。
同年10月24日、日本の宇宙航空研究開発機構 (JAXA) は、月探査機かぐやが撮影した画像の解析で、月の表側にある平地「嵐の大洋」の中央部にあるマリウス丘に月面初となる地下溶岩トンネルに通じる縦穴を発見したと発表した。今回発見された縦穴は「嵐の大洋」において火山活動が活発だったことが分かっている地点に存在しており、直径約70m、深さ約90mの垂直な穴で、穴底部分は少なくとも横幅400m、内高20mを超えるトンネルになっているとしている。JAXAは、今回の発見は将来的な有人探査において天然の基地としての有力候補になったとしている[22]。
2010年9月7日、NASAによって、月面において初となる「天然の橋」が確認された[23]。NASAのルナー・リコネサンス・オービター (LRO) のカメラ (LROC) が撮影に成功し、その画像が公開された。画像では、橋の右側くぼみから橋下を通過した光が、左側くぼみの底に三日月形に映っている姿をとらえている。地球上においては風や水による浸食現象で形成される自然橋だが、月面で見られるこのような地形は、通常、太古の火山活動によってできた溶岩洞が崩落した結果と考えられている。ただし、今回発見されたケースでは、この天然の橋は溶岩洞の崩落によるものではなく、クレーターを形成した隕石の衝突熱で岩が融解して形成されたものと考えられている[23]。
2020年10月、アメリカ航空宇宙局（NASA）は成層圏赤外線天文台（SOFIA）を用いて行われた観測で、南半球にあるクラヴィウス・クレーター（英語版）から水が検出されたと発表した。
