多次月球探測後的證據顯示，一個和火星差不多大的天體撞上早期的地球，撞擊後的殘骸便形成了月球。這個理論也說明了為什麼月球表面的岩石會與地表的岩石相似、為什麼月球表面 上沒有水（水分在 碰撞時都被蒸發光了，雖然在月球的某些岩石裡發現過微量水），以及月球軌道的相位（地球和月球的旋轉方式排除了其他的月球形成假說）。

月球和地球一樣會繞著自轉軸轉動， 不過它的自轉週期和繞地球的公轉週期是樣的，都是27。3個地球日。這是因為兩個天體演化的過程太過接近，地球的引力使月球表面產生隆起，形成“陸地潮汐”，這會讓月球的自轉速度變慢，造成自轉和公轉速度同時變慢，所以從地球上觀測，我們只會看見月球的一面，而它的另一面永遠背對我們。月球相對於太陽的位置，繞地球公轉一週需要 29。5天，這段時間又稱為朔望月，也就是月相的週期。

月球背對我們的那一面， 常被誤稱為“ 黑暗面”，但其實它並非一直都是暗的，月球的背面和正面一樣有月相變化，每個月都會被太陽光照亮，或是背對太陽而處於陰影中。探測器曾多次勘測月球背面，最早是俄羅斯的“月球探測3號”，它在1959年拍下了月球背面的影像。接著是美國的太空計劃，美國天文學家花了三十多年，詳細繪製了月球背面的地圖。

“莫斯科海”和“加加林環形山”都是月球背面的地名，它們用於紀念俄羅斯人在月球探測上所做出的貢獻，俄羅斯航天員加加林是第一個登上太空的人。月球背面和正面有明顯的不同，月球背面的地殼比正面厚，因此主要是環形山，月海反而比較少。

“月球繞著地球公轉”這個說法並不完全正確，雖然月球的引力只有地球的六分之一但是實際上，地球和月球是繞著彼此轉的。想象一支頭重腳輕的指揮棒旋轉的樣子，因為地球比較重且密度較高，所以旋轉的平衡點（也就是重心）其實位於地球地表下1770千米處。 實際上，是“地球一月球”系統的重心沿著黃道面繞太陽執行，地球的其他部位則繞著這個重心執行。

有關月球引力的研究在“ 阿波羅計劃”的規劃中扮演著重要的角色。科學家故意讓登月飛船從預定軌道上飛出，來到月球后方，再讓船艙被月球的引力拉向較遠一側，並降低速度以進入月球軌道。阿波羅13號宇宙飛船上的航天員還靠軌道力學撿回了一條命。當時，船艙內的氧氣槽在離地球約32萬千米處爆炸，於是他們使用備用動力系統，推動宇宙飛船進入了無動力返航軌道，利用開普勒行星運動定律和地球的引力，讓宇宙飛船繞過月球后返抵地球。

月球相對於黃道的方位也會影響它在空中的高度和路徑。月球繞地球的公轉軌道面和黃道面相當接近，大約只差5度。在北半球的冬季，白天時黃道面仰角很低，到了晚上黃道面仰角變大，長度也變長；夏季正好相反，晚上時黃道在空中的位置較低。在春季的傍晚，黃道會以相當小的夾角出現在西邊；秋季則反過來，晨出現在東邊，所以春秋兩季是觀察新月和殘月的最佳時機。

月時本最不會發光，月球之所以發亮是因為反射了太陽光，所以月球會呈現不同的月相。隨著月球的公轉，月球、太陽與地球三者的角度在不斷改變，當月球位於太陽和地球之間時，月球會背對太陽形成新月，此時觀測者看不到月亮（除非三個天體連成一線，形成日食）；地球位於月球與太陽之間時，形成滿月（如果三個天體連成一線，就會發生月食）。

除了新月和滿月，還有其他月相。新月沿著軌道緩慢移動，漸漸照到一點日光，一兩天後就會形成又細又彎的蛾眉月；一個星期之後，地月連線與地日連線形成90度夾角，這時我們會看到一半被照亮的月球，這種月相稱為上弦月。接著是凸月，然後又變成滿月，之後月球會轉到地球的另一側，經歷凸月、下弦月和殘月，被照亮的區域緩緩縮小，直到完全看不見，再重新開始下一次週期。

月相反映了太陽和月球的相對位置，因此也和月亮東昇西落的模式有直接的關係。滿月時，太陽和月球位於地球的相反兩邊，因此當滿月升起時，太陽正好西沉；當滿月西沉時，太陽正好升起。