На Луне практически отсутствует атмосфера. Содержание газов у поверхности в ночное время не превышает 200000 частиц/см3 и увеличивается днём на два порядка за счёт дегазации грунта. Такая концентрация газов равноценна глубокому вакууму, поэтому днём её поверхность накаляется до +120 °C, но ночью или даже в тени она остывает до −160 °C. Небо на Луне всегда чёрное, даже днём. Огромный диск Земли выглядит с Луны в 3,67 раз больше, чем Луна с Земли и висит в небе почти неподвижно. Фазы Земли, видимые с Луны, прямо противоположны лунным фазам на Земле. Освещение отражённым светом Земли примерно в 50 раз сильнее, чем освещение лунным светом на Земле.
Поверхность Луны покрыта так называемым реголитом — смесью тонкой пыли и скалистых обломков, полученных из столкновений метеоров с лунной поверхностью. Толщина слоя реголита бывает от долей метра до десятков метров.
В июле 2008 года группа американских геологов из Института Карнеги и Университета Брауна обнаружила в образцах грунта Луны следы воды, в большом количестве выделявшейся из недр спутника на ранних этапах его существования. Позднее бо́льшая часть этой воды испарилась в космос[16].
Российские учёные, с помощью созданного ими прибора LEND, установленного на зонде LRO, выявили участки Луны, наиболее богатые водородом. На основании этих данных НАСА выбрало место для проведения бомбардировки Луны зондом LCROSS[17]. После проведения эксперимента, 13 ноября 2009 года НАСА сообщило об обнаружении в кратере Кабеус в районе южного полюса воды в виде льда[
