La Luna aparece como el objeto más magnífico y brillante sobre el firmamento nocturno terrestre: debido a su proximidad a la Tierra (la distancia media de la Luna a la Tierra es de casi 400.000 kilómetros, astronómicamente pequeña) sólo es superada en cuanto a tamaño y brillo por el Sol; sin embargo, en términos astronómicos, es un cuerpo común, pequeño e insignificante, y su brillo es simplemente el reflejo de la luz del Sol. El tamaño de la Luna es cerca de una cuarta parte del de la Tierra (el diámetro terrestre es de casi 12.870 kilómetros en el ecuador, mientras el lunar es de unos 3.480 kilómetros), y este gran tamaño se traduce en una influencia notable sobre el planeta, como se puede observar en las mareas de los océanos (causadas por la fuerza de atracción de la Luna).

Con la invención del telescopio comenzó el estudio de la geografía lunar. Galileo, en 1609, examinó la Luna a través de un telescopio, y posteriormente otros astrónomos elaboraron mapas de sus características físicas. Ellos descubrieron montañas y llanuras, algunos cráteres grandes y los largos valles. Los sucesores de Galileo pensaron que las llanuras de la Luna estaban cubiertas con agua y las llamaron "maria" (latino para "mares"), nombre que ha persistido a pesar de que actualmente se sabe que no hay agua en la superficie de la Luna.

La curiosidad científica no ha sido satisfecha con la información que puede ser obtenida mirando la Luna; cálculos basados en ocurrencias naturales han proporcionado alguna información adicional: las mareas en la Tierra se han usado para calcular la gravedad y la masa de la Luna, el contorno de la Luna es estudiado durante los eclipses de Sol y las longitudes de las sombras lunares ayudan en la medición de las alturas de las montañas lunares.

Una herramienta importante utilizada en el  estudio de la Luna es el espectroscopio, el cual separa luz en sus longitudes de onda individuales o espectro. El espectro indica qué elementos están presentes en la fuente de luz, y puesto que la Luna refleja la luz del Sol, su espectro incluye las longitudes de onda presentes en el espectro del Sol; cualquier diferencia es debida a las condiciones en la Luna. De estas diferencias los científicos han podido identificar algunos de los elementos presentes en la superficie de la Luna.

En los años 60 los vuelos espaciales empezaron a proporcionar nuevos datos lunares. Vuelos de exploración a la Luna (que la orbitaron o alunizaron) enviaron fotografías a la Tierra. Los vuelos orbitales proporcionaron fotografías del lado lejano de la Luna, el cual siempre da la espalda a la Tierra. Estas fotografías revelaron que este lado, a diferencia del lado visible desde la Tierra, tiene muy pocos mares.

En algunas de estas exploraciones las naves espaciales que orbitaron la Luna exhibieron una ligera pero inesperada variación en su velocidad: su velocidad aumentaba sobre los mares de la Luna. Los científicos concluyeron que el aumento era causado por efecto de la gravedad, lo que significa que el material bajo el maria es más denso que el que está bajo otras porciones de la superficie de la Luna. Estas concentraciones de masa, llamadas "mascons", ocurren bajo al menos cinco de los mares lunares. Cuando los científicos puedan explicar la estructura y origen de estos "mascons" tal vez también hayan aprendido mucho sobre el origen de lo mares lunares.

El 20 de julio de 1969 los astronautas norteamericanos Neil A. Armstrong y Edwin E. Aldrin Jr, del vuelo espacial Apolo 11, aterrizaron en el Mare Tranquillitatis (Mar de la Tranquilidad). Ellos fueron los primeros hombres en   poner pie en la superficie de la Luna. Colocaron equipo experimental en la superficie de la Luna y retornaron a la Tierra con 48 libras de rocas y muestras del suelo lunar. El Apolo 12 hizo el segundo desembarco lunar tripulado el 19 de noviembre de 1969, en el Oceanus Procellarum (Océano de las Tormentas). Los astronautas del Apolo 12 también organizaron experimentos y trajeron muestras de roca y suelo.

Los equipos usados por el Apolo 11 en sus experimentos incluyeron un reflector de rayos láser, un sismógrafo y un detector de partículas de viento solar. Varios laboratorios terrestres apuntaron láseres al reflector para determinar la distancia de la Tierra a la Luna. Las medidas iniciales eran exactas con un error de aproximadamente 4,2 metros. El sismógrafo grabó varios eventos interpretados como "terremotos" lunares, derrumbes o impactos de meteoro. El detector de partículas de viento solar se puso en la superficie de la Luna dando cara al Sol; luego retornaron a la Tierra y se analizó el detector en búsqueda de gases raros. Los resultados mostraron que el detector había atrapado helio (He), neón (Ne) y argón (Ar) en cantidades que corresponden a su abundancia en el Sol en lugar de a su abundancia en la Tierra.

Para los experimentos del Apolo 12 se emplearon un espectrómetro de viento solar y un magnetómetro. El magnetómetro grabó un campo magnético unas diez veces más fuerte de lo que los científicos esperaban. Otro descubrimiento sorprendente fue hecho cuando los astronautas del Apolo 12 chocaron parte del módulo lunar contra la superficie de la Luna para dar una lectura al sismógrafo de un impacto con fuerza y masa conocida: la Luna vibró  después durante casi una hora.

La Luna no sigue un círculo perfecto en su camino alrededor de la Tierra. Su órbita es una elipse, con un extremo más cerca de la Tierra que el otro. En el punto llamado "perigeo" (cuando la Luna está más cerca de la Tierra) su distancia al centro de la Tierra es de aproximadamente 357.190 kilómetros; cuando alcanza el punto opuesto, el "apogeo", la Luna está a aproximadamente 407.070 kilómetros del centro de la Tierra. Las distancias exactas del perigeo y apogeo varían de mes a mes.

La órbita de la Luna no se alinea con el ecuador de la Tierra ni con el camino de la Tierra alrededor del Sol (eclíptica). Sin embargo, está más cercano a este último, interceptando al plano de la eclíptica en un ángulo de aproximadamente 5 grados. Los dos puntos en que la Luna cruza cada mes al plano de la eclíptica se llaman nodos lunares.

El camino que sigue la Luna es más complejo. El plano de su órbita se bambolea continuamente, como hace una moneda al caer, que gira antes de quedarse quieta. En una estación dada, por ejemplo, el lado de la órbita que yace encima (o al norte) de la eclíptica a veces apunta en dirección contraria al Sol y a veces hacia él. Este cambio ocurre despacio, tomando 18,6 años el ciclo completo de oscilación. El ciclo es a veces llamado regresión de los nodos, ya que los nodos se mueven constantemente alrededor de la eclíptica en dirección oeste.

La órbita de la Luna a veces toma la misma inclinación de la Tierra con respecto a la eclíptica. En otros casos, se inclina en la dirección opuesta. Como resultado, la Luna puede aparecer en el cielo más al norte algunos años y en otros más al sur. La inclinación y tambaleo de su órbita también influyen en la ocurrencia de los eclipses: estos sólo pueden ocurrir cuando la Luna está alineada (o casi) con el Sol y la Tierra.

Los eclipses ocurren en intervalos irregulares, y ellos sólo repiten su ciclo aproximadamente cada 18 años. El número combinado de eclipses totales o parciales de Sol y Luna no puede exceder de 7 o ser menor a 2 en un año dado.

Hay otras irregularidades en el movimiento de la Luna causadas por la atracción del Sol y de la Tierra. Cuando la Luna está entre el Sol y la Tierra, el Sol tiende a apartarla de la Tierra. Cuando la Luna viaja al lado opuesto de la Tierra (con respecto al Sol), el Sol tiende a acercarla a la Tierra. Estos efectos son conocidos como perturbaciones.

La Luna nos muestra el mismo lado en todo momento, y para hacer esto debe rotar una vez sobre su eje cada vez viaja alrededor de la Tierra. Si no se volteara, mostraría su lado opuesto cada vez que estuviera a medio camino en su viaje alrededor de la Tierra. En realidad, considerablemente más de la mitad de la Luna (cerca del 59%) es visible desde la superficie terrestre.

La razón por la cual la Luna rota una vez en cada órbita alrededor de la Tierra es desconocida. Los científicos sospechan que la rotación lunar se debe haber ajustado a una fuerza tal como el empuje gravitatorio terrestre. Esta teoría también podría explicar por qué el diámetro de la Luna se abulta en un tercio de milla en dirección a la Tierra.

El tiempo que le toma a la Luna orbitar a la Tierra es de aproximadamente 27 ¹/₃ días. A este período se le llama mes sideral. Sin embargo, hay aproximadamente 29 ¹/₂ días entre cada aparición de la luna nueva (lo cual ocurre cuando la Luna está más cerca del Sol); este período de tiempo es llamado mes sinódico o lunar. Es más largo porque la Tierra también se ha estado moviendo alrededor del Sol, y por lo tanto las posiciones relativas de la Tierra, la Luna y el Sol están un poco alteradas. Debido a que la Luna se mueve de esta manera, su salida y su puesta ocurren cada día más tarde, siendo este retraso (en promedio) de aproximadamente 50 minutos por día.

La inclinación de la Tierra explica el hecho de que el Sol parezca estar alto en el cielo en verano y bajo en invierno (en el norte terrestre); la inclinación tiene un efecto similar en la altura de la Luna en el cielo, porque el plano de la órbita de la Luna está casi en línea con el Sol. La revolución mensual de la Luna alrededor de la Tierra también produce cambios en su altura aparente.

La Luna no produce luz por sí misma sino que refleja la del Sol, y excepto en raras ocasiones (cuando es eclipsada por la sombra de la Tierra) es constantemente iluminada por este astro. Por consiguiente, mitad de la Luna está casi siempre iluminada. Desde la Tierra, el lado iluminado puede verse cuando la Luna está en posición opuesta al Sol, y el lado oscuro cuando está en la dirección del mismo; entre estos dos extremos sólo se puede ver parte del lado iluminado. Estas variaciones en la apariencia de la Luna se llaman fases, las cuales son divididas principalmente en cuatro grupos:

Luna Nueva: La luna nueva sólo aparece cuando la Luna está en el lado de la Tierra que está directamente frente al Sol. No hay iluminación en el lado que ve hacia la Tierra, así que también se le llama a veces luna oscura. Unos días después de la luna nueva, una delgada y encerada luna creciente puede verse baja brevemente en el cielo occidental después del ocaso.

Cuarto Creciente: La mitad del lado de la Luna que mira a la Tierra aparece iluminado. Se levanta cerca del mediodía, alcanza su máxima altitud a la puesta del Sol y se oculta cerca de la medianoche.

Luna Llena: Todo el lado iluminado de la Luna es ahora visible para los espectadores terrestres. La luna llena se levanta por el este mientras el Sol se pone en el oeste. Se queda arriba toda la noche, alcanzando su punto más alto aproximadamente a la medianoche.

Cuarto Menguante: Tal como el cuarto creciente, se ve iluminado en la mitad del lado que ve hacia la Tierra. Esta luna sale aproximadamente a medianoche, está en lo más alto al alba y se oculta al mediodía. Por la mañana está en el cielo occidental. Es conocida como luna menguada creciente o luna  vieja mientras se acerca a la fase de luna nueva para así completar el ciclo.

Las formas vistas como "el hombre en la luna" son una combinación de cráteres, crestas de montañas, valles estrechos y profundos, y llanuras niveladas o mares. El más grande de los mares es el Mare Imbrium (Mar de Lluvias), con aproximadamente 1120 kilómetros de diámetro.

Hay unos 20 mares importantes en el lado de la Luna que da a la Tierra. Entre estos mares tenemos a Mare Serenitatis (Mar de la Serenidad), Mare Crisium (Mar de Crisis) y Mare Nubium (Mar de Nubes). Aunque son considerados llanuras porque son las superficies lunares que tienen menos irregularidades, los mares no son completamente planos. Son atravesados por riscos, están plagados de cráteres y son interrumpidos por precipicios y paredes.

Los mares lunares están rodeados por grandes montañas, a las cuales les fueron dados nombres como Alpes, Pirineos y Cárpatos, de acuerdo a las cordilleras terrestres.  La cordillera lunar más alta es Leibnitz, con crestas de hasta 9.140 metros.

Decenas de miles de cráteres están esparcidos por la superficie de la Luna, a menudo solapándose entre si, y su origen ha sido debatido por los astrónomos durante mucho tiempo. Los cráteres pueden haber sido creados por volcanes, ahora extintos desde hace miles de millones de años. Una teoría más ampliamente aceptada sostiene que fueron causados por lluvias de meteoritos y por actividad volcánica.

Hay más de mil valles profundos llamados fisuras lunares. Estas tienen de 16 a 482 kilómetros de largo y alrededor de 3 kilómetros o menos de ancho, y sus profundidades son desconocidas. Se cree que estas fisuras son hendiduras en la superficie que se formaron a lo largo de las zonas de debilidad causadas por algún tipo de calor y expansión interior.

Por años los científicos creyeron que no había ningún rastro de gas o de una atmósfera en la Luna. Ahora, existe alguna evidencia de una atmósfera, aunque ésta puede ser demasiado delgada como para ser medida.

En 1956 observadores informaron de lo que parecía ser una nube sobre el cráter Alphonsus. En 1958, un astrónomo soviético, Nikolai A. Kozyrev, anunció una aparente erupción de este cráter. Él tomó espectrogramas que indicaban la presencia de gases enrarecidos, lo cual causó una reanudación de los debates sobre el origen volcánico versus el origen meteórico de los cráteres de la Luna. Muchos científicos creyeron que Kozyrev no había visto una verdadera erupción volcánica sino un soplo de gas y polvo que habría tenido lugar debajo de la superficie, probablemente causada por el calor.

La mayoría de la evidencia científica ha apoyado la teoría de que la Luna es fresca y sólida bajo su superficie. Su diámetro, dirigido hacia la Tierra, sólo está ligeramente agrandado. Si el interior de la Luna estuviese todavía caliente y fundido, la gravedad habría producido un efecto probablemente mucho mayor sobre su diámetro.

La superficie de la Luna absorbe calor cuando mira hacia Sol, momento en el cual su temperatura puede alcanzar los 374°K. Cuando los rayos del Sol son cortados por la rotación de la Luna la superficie se refresca a temperaturas tan bajas como 120°K. Instrumentos han detectado que el suelo lunar se refresca más rápidamente de lo que lo hace el subsuelo. Esto es considerado como evidencia de que el material de la superficie difiere del material debajo de ella.