Dopo l'invenzione della fotografia il suolo lunare è stato osservato in tutti i suoi particolari e quindi riportato su carte assai attendibili. La superficie della Luna appare caratterizzata, come quella terrestre, da pianure intervallate da zone montuose. Le prime sono state chiamate "mari", mentre le seconde "monti". I "mari" della Luna sono grandi estensioni pianeggianti, che all'inizio furono ritenute liquide. Più tardi però questa ipotesi fu scartata del tutto perché si scoprirono in esse degli strani corrugamenti. I "mari" della Luna si presentano di forma e grandezza variabili, con insenature, golfi, penisole e rilievi costieri del tutto simili ai rilievi terrestri. Il "mare" più grande, il mare Imbrium o mare delle Piogge, si estende per circa 1 milione di kmq. I "monti" della Luna sono degli ammassi rocciosi dai bordi taglienti per mancanza di agenti corrosivi e alti migliaia di metri. La loro altezza viene stabilita misurando le ombre che essi producono e che, per l'assenza di atmosfera, sono assai nette. I "monti" lunari sono raccolti in catene di diversa forma e sono preponderanti nella faccia nascosta della Luna.

La distanza media tra la Terra e la Luna è pari a 30 volte il diametro terrestre, ossia circa 384.000 km. Un valore non molto alto, se si prendono in considerazione i grandi numeri con i quali si misurano le distanze tra il nostro pianeta e gli altri corpi celesti. Così, a causa della sua vicinanza, la Luna ci appare molto grande, nonostante sia un astro relativamente piccolo. Il suo diametro è di 3470 km (un quarto di quello terrestre); il suo volume è pari a 21.990 milioni di kmc, ovvero il 2% del volume della Terra. La sua superficie è di 37,960 milioni di kmq (esattamente il 7,4% di quella terrestre).

A differenza della Terra, la Luna è del tutto sprovvista di atmosfera. La sua superficie quindi si riscalda e si raffredda più velocemente di quella terrestre. Inoltre il giorno lunare dura molto di più di quello terrestre: circa 28 giorni. Questo significa che la superficie lunare rimane esposta ininterrottamente alla luce del Sole per ben 14 giorni e si raffredda in una lunghissima notte che dura altrettanti 14 giorni. È evidente allora che gli sbalzi di temperatura che possono avvenire sulla Luna sono più elevati di quelli che possono avere luogo sul nostro pianeta. 

Il suolo lunare è coperto da voragini circolari che per analogia con quelle che si trovano sulla Terra sono state chiamate crateri. Data la loro grandezza si esclude che si tratti di formazioni di origine vulcanica. Si pensa invece che essi siano stati determinati dalla collisione di meteoriti o pianetini con la Luna. Sappiamo infatti che il satellite non è protetto da un'atmosfera, capace di disintegrare o incendiare i corpi provenienti dallo spazio, così al momento dell'impatto tali corpi mantengono intatta la loro enorme forza d'urto. I crateri lunari sono di forma circolare e presentano bordi in rilievo, taglienti e frastagliati. Dal bordo dei crateri e in condizioni di illuminazione solare particolare, si possono distinguere una serie di rette bianchissime, dette raggi. Si tratta di formazioni lineari, larghe circa 1 km, che si diramano a raggiera dai crateri più importanti, attraverso la superficie, per parecchi chilometri. 

Sin da tempi antichissimi molte civiltà hanno suddiviso il tempo in settimane. Questa consuetudine trae le sue origini da osservazioni astronomiche. Quattro settimane corrispondono infatti a un periodo di tempo pari a un mese sinodico, detto lunazione. Di certo questo fatto deve aver attirato l'attenzione degli antichi. La lunazione è suddivisa da quattro momenti caratteristici, corrispondenti ad altrettanti fenomeni celesti, detti fasi. Ogni fase è determinata da una posizione caratteristica che la Luna occupa nel cielo e che determina una diversa illuminazione della faccia rivolta verso la Terra e un diverso orario di presenza della Luna al di sopra dell'orizzonte.

La Luna esercita un'influenza diretta e non trascurabile sulle vicende terrestri. Secondo alcune credenze popolari la Luna aveva persino il potere di agire sullo spirito e sulle emozioni dell'uomo, lasciandovi tracce durature. L'influenza della Luna sulla Terra si manifesta soprattutto attraverso fenomeni dovuti alla forza di attrazione. L'effetto da essi prodotto è il periodico sollevamento e abbassamento delle masse terrestri alla superficie. Quando la Luna si trova allo zenit di un mare, il livello dell'acqua si innalza al di sopra della media, dando luogo al fenomeno della marea. Anche le terre emerse, pur essendo più rigide dell'acqua dei mari, si alzano al di sopra del loro livello medio per questa medesima ragione.

Tutti questi fenomeni producono delle conseguenze notevoli. Per effetto delle maree infatti le coste dei mari sono soggette a continui processi di erosione. Il riflusso marino finisce per intasare periodicamente le foci dei fiumi, con conseguenti gravi ripercussioni sul normale regime dei fiumi stessi e dei loro affluenti. Sovente le inondazioni sono provocate dalla concomitanza della piena di un fiume con una marea particolarmente elevata che ne impedisce il naturale deflusso alla foce. L'attrazione lunare è quindi in grado di alterare, anche solo per brevi intervalli di tempo, non esclusivamente la morfologia, ma anche la biologia del nostro pianeta, agendo sugli organismi viventi, sulla produttività delle colture e sul buon andamento degli allevamenti. In ultima analisi la Luna condiziona la stessa vita dell'uomo.

L'eclissi è un fenomeno che si verifica quando la luce solare che dovrebbe illuminare la Luna viene intercettata dalla Terra (eclissi di Luna) o quando la luce solare che dovrebbe colpire la Terra viene intercettata dalla Luna (eclissi di Sole). L'eclissi di Sole ha luogo solo durante la fase di Luna nuova (e quindi il satellite può trovarsi tra il Sole e la Terra). L'eclissi di Luna si verifica solo nella fase di Luna piena (e di conseguenza la Terra può occupare una posizione intermedia tra il Sole e la Luna). Talvolta si possono verificare delle eclissi parziali. In questo caso si effettua un occultamento parziale. Inoltre, data l'ampiezza della superficie terrestre, solitamente un'eclissi è totale in una certa zona e parziale per il resto del pianeta.

Sin dalla metà degli anni Sessanta, la Luna è stata visitata più volte dalle sonde spaziali americane inviate con o senza uomini a bordo. Ciò ha permesso di raccogliere numerosi dati dettagliati sulla morfologia e la composizione della superficie lunare. In particolare le sonde Surveyor hanno consentito un esame iniziale del suolo lunare, mentre le missioni Apollo (tra il 1969 e il 1972) hanno portato sulla Terra molte decine di chilogrammi di materiale lunare, prelevato in zone di natura geologica diversa.

Da tempo il mondo scientifico si interroga sulle possibilità future di un soggiorno umano sulla Luna. Il satellite infatti potrebbe fungere da base di lancio per le astronavi, facilitandone enormemente il decollo, data la sua scarsa forza di gravità. Inoltre la Luna potrebbe costituire un ottimo luogo di osservazione per astronomi e astrofisici: grazie all'assenza di atmosfera e di assorbimento delle radiazioni cosmiche, telescopi e radiotelescopi opererebbero in assenza di qualsiasi interferenza. Infine il nostro satellite potrebbe diventare un laboratorio privilegiato di fisica, chimica e biologia: mancando di atmosfera e di agenti patogeni estranei, consentirebbe la realizzazione di esperimenti altrimenti non attuabili. Le difficoltà di tali progetti sono  enormi e al momento non se ne prevede comunque l'attuazione.