La Luna è un corpo privo di atmosfera e di acqua allo stato liquido, a causa della sua piccola massa che genera un'attrazione gravitazionale troppo debole per poter trattenere molecole piccole. L'assenza d'atmosfera sulla Luna fa si che non vi siano effetti di erosione e che vi sia un'altissima escursione termica tra i momenti in cui è illuminata dalla luce solare e i momenti in cui è ricoperta dall'ombra terrestre. Tale escursione è anche favorita dall'assenza di acqua allo stato liquido che possa generare umidità e dalla lunga durata del dì e della notte. Un altro effetto dell'assenza dell'atmosfera nello spazio circostante la Luna è l'assenza del crepuscolo e dell'alba. Il rapporto tra la Terra è il suo satellite è molto particolare. Infatti per essere un satellite esso è alquanto grande, vi sono si dei satelliti di dimensioni maggiori ma questi si muovono intorno a pianeti giganti. Il rapporto tra Terra e Luna (5:3) è il più alto tra tutti gli altri rapporti pianeta-satellite del
Sistema Solare. La Luna molto probabilmente come la Terra presenta al suo interno tre zone concentriche: nucleo, mantello e crosta. Mentre invece la sua superficie presenta delle strutture caratteristiche: i mari lunari, gli altopiani e i crateri.
I mari lunari sono delle vaste aree pianeggianti di colore scuro ricoperte da uno spesso (da 2 a 10m) strato di polveri finissime. Secondo le ultime ipotesi si ritiene che i mari derivino dal riempimento di zone di depressione da parte di fluide lave provenienti dall'interno della Luna.
I mari, che sono le zone più giovani della Luna, sono costituiti in gran parte da basalti, rocce presenti anche sulla Terra, che sicuramente derivano dal raffreddamento di lave. Gli altopiani sono invece delle aree di materiale accidentato di colore chiaro ed occupano circa l'80% della superficie lunare. Le rocce presenti sono molto antiche ed hanno circa 4 miliardi di anni. Sulla superficie lunare vi sono sparsi decine di migliaia di crateri (vd. foto a fianco), la maggior parte di questi è dovuta agli impatti con meteoriti precipitate sul suolo lunare. Hanno dimensione incredibili che variano da pochi cm fino a 200 km.
Sulla superficie lunare sono presenti anche delle vere e proprie catene montuose che presentano una superficie accidentata. La vetta più alta, situata nella catena Leibnitz, tocca quota 9900m.
La Luna compie tre moti fondamentali: di rotazione sul proprio asse e di rivoluzione attorno alla Terra e insieme alla Terra di traslazione intorno al Sole.
La Luna ruota sul proprio asse (inclinato di circa 83º rispetto al piano della sua rivoluzione) da Ovest verso Est in senso antiorario. Questo movimento, noto con il nome di giorno lunare, ha una durata di 27d 7h 43m 12s e corrisponde anche al tempo di rivoluzione.
La luna si muove in senso antiorario su un'orbita ellittica che ha la Terra come uno dei due fuochi. Durante questa rivoluzione la distanza della Luna dalla Terra varia, avremo quindi il satellite in apogeo quando sarà situato alla massima distanza dalla Terra e in perigeo quando sarà nel punto più vicino. Comunque la differenza tra queste due distanze non è notevole essendo l'eccentricità dell'orbita lunare molto bassa (0,05). La distanza media tra Terra e Luna è di 384.000 km.
Il piano su cui è situata l'orbita lunare è inclinato rispetto al piano dell'eclittica di circa 6º. I due piani si intersecano in due punti denominati nodi. L'intervallo di tempo necessario per compiere un'intera rivoluzione prende il nome di mese. A sua volta il mese può essere siderale (qualora si prenda una stella come punto di riferimento) o sinodico nel caso in cui si consideri l'intervallo tra due allineamenti Luna Sole. La somma di 12 mesi sinodici è equivalente ad un anno sinodico la cui durata però è inferiore a quella dell'anno solare.
Il mese sinodico può essere diviso in quattro fasi lunari a seconda delle diverse condizioni di illuminazione della faccia che la Luna rivolge verso la Terra: novilunio (la Luna è interposta tra Terra e Sole e quindi non è visibile alcuna parte del satellite); primo quarto (con un angolo di 90º si illumina metà della Luna che mostra una convessità rivolta a ponente); plenilunio (la Terra è situata tra Sole e Luna e quindi questa è interamente illuminata); ultimo quarto (situazione analoga al primo quarto ma con una convessità rivolta a levante).
La Luna subisce nel corso dei suoi moti delle oscillazioni, note come librazioni, che possono essere apparenti, qualora siano determinate da uno spostamento della prospettiva di osservazione della Luna, o fisiche che dipendono dalla maggiore attrazione esercitata dalla Terra sul rigonfiamento equatoriale lunare.
La Luna compie anche un moto di traslazione seguendo la Terra nella sua rivoluzione attorno al Sole. L'orbita che descrive questo moto non è ovviamente un ellisse perfetta ma corrisponde ad un'ellisse deformata (epicicloide).
La presenza della Luna sui nodi può causare in determinate situazioni il fenomeno dell'eclissi. Vi sono due tipi di eclissi: eclissi lunare e solare.
L'eclissi lunare avviene quando la Luna si trova in plenilunio e in prossimità di uno dei nodi e la Terra si interpone tra il suo satellite e il Sole, oscurando così il disco solare. Le eclissi di Luna possono essere totali, nel caso in cui essa è completamente immersa nel cono d'ombra della Terra, o parziali nel caso in cui essa è solo parzialmente immersa.
L'eclissi di Sole invece si verifica quando la Luna si interpone tra Sole e Terra oscurando per breve tempo il disco solare. Affinché si verifichi tale evento è necessario che la Luna sia in novilunio e che si trovi sulla linea dei nodi. Le eclissi di Sole possono essere totali o anulari. Quelle totali sono visibili sono in determinate aree ristrette della superficie terrestre, avendo il cono d'ombra lunare un dimensione ridotta nei confronti di quello solare. Quando il disco solare è nel cono d'ombra della Luna e questa si viene a trovare in apogeo, non si verificherà un'eclissi totale bensì una anulare. Durante questo fenomeno è possibile osservare la parte esterna della fotosfera, la cromosfera e la corona solare.
Vi sono tre diverse ipotesi per quanto concerne l'origine della Luna:
cattura: la Luna è stata catturata dal campo gravitazionale della Terra.
fissione: la Luna deriva dalla separazione di una massa dalla Terra in formazione.
accrezione: il satellite deriva dall'aggregazione di frammenti solidi con passaggi simili a quelli che hanno portato alla formazione della Terra e degli altri pianeti.
