1609年，意大利科学家伽利略制成了一架简单的望远镜，首先用它来观察月亮，迈出了人类用科学仪器观测天体的第一步。观察结果使伽利略大为惊奇，原来，月亮并不象人们想象的那样洁白无瑕，景色迷人。月亮上有明有暗，瘢痕累累，有些地方还凹凸得十分厉害。伽利略认为：那些明亮的部分不断改变颜色，一定是山脉；那些总是黑暗的部分，一定是海；他还给月面上这些暗的部分起了海洋的名称，比如“云海”、“湿海”、“（南海”、“冷海”、“风暴洋”等等。
三首多年来，人们继伽利略之后，不断地观测月亮，绘制了许多幅月面图，一张比一张精细。不过，人们在地球上看到的月亮；只是它朝着我们的那张“笑脸”，却始终看不到它的“后脑勺”。直到1959年10月7日，前苏联火箭严月球3号”第一次飞到月亮背面，把它的“后脑勺”照了相回来，这才使我们有可能认识月亮的全貌。原来，月亮的背面也同样荒凉坎坷，山地比正面更多一些。
月亮在太阳系的卫星中虽然不算最大的，但是跟它的主星——地球相比，月亮却是个大卫星。月亮的平均直径34758千米，大约相当于地球直径的1／4；它的表面积是3800万平方千米，相当于地球面积的1／14，比我们亚洲的面积稍微小一点；月亮的体积是220亿立方千米，等于地球体积的1／49；月亮的质量是7350亿亿吨，大约等于地球质量的1／81；月亮物质的密度是每立方厘米334克，相当地球密度的3／5。这样大比例的卫星，在太阳系里是少有的，月亮和地球简直象是一对行星。
月亮离开我们有多远呢？从月亮到地球的平均距离是384400千米，相当于地球半径的60倍，约等于环绕地球赤道10圈的行程。
月亮绕地球旋转的轨道不是正圆，而是椭圆形的，所以离开我们有远有近：最近的时候只有363300千米，最远的距离是405500千米。如果我们注意观察，可以看出月亮有时候显得木一些、亮一些，离我们最近的时候要：比最远的时候看起来大12％，亮30％。
月亮表画的暗斑，就是伽利略称之为“海”的部分。实际上，月亮上根本没有水，“月海”有名无实，发暗的部分是比周围低洼的广阔平原。最大的“月海”——风暴洋的面积500，万平方于米，比我国面积的一半还要大一些。“月海”共翅个，约占月亮总面积的40％，其余60％发亮的部分被称为“陆”。这里是高地和山脉，峰峦重迭，沟壑纵横。“陆”比“海”平均高出1500米。
月亮上的特产是环形山。环形山一般是圆形的，四周山壁突出，内坡比较陡峭，外坡比较平缓，样子很象火山口。有些环形山中心还耸立着一个孤立的山峰，叫“中央峰”。环形山的山壁有高有低，一般高度在200～500米之间。环形山的范围有大有小，最大的环形山是月亮南部边缘的贝利环形山，直径295千米，四周山壁高达4250米，简直是被高山包围的大平原，把我国的海南岛装进去还绰绰有余。有些环形山四周山壁不高，可是中间底部深陷。最深的是牛顿环形山，比外围的平原低7千米，比山壁低8858米；把地球上最高的珠穆朗玛峰装进去，可以看不见山尖。
月亮上的环形山很多，“陆”上有环形山，“海”里也有环形山，“陆”上的环形山比“海”里的多。用望远镜能够看清的直径在1千米以上的环形山，大约有33000多个，直径在1千米以下的只能算是坑穴了，多得不计其数。这些坑穴把月面弄得千疮百孔，瘢痕满目。
环形山是怎样形成的呢？有两种说法。一种说法认为是火山喷发的结果。火山喷发时岩浆喷涌出来，向四面八方流去，形成了环形山壁，火山口就是环形山中间的盆地。另一种说法认为行星际空间有许多游荡的石头——流星体，因为月亮没有大气保护，它们可以毫无阻拦地冲击月面，造成坑穴和环形壁。这两种说法都有道理，有待进一步探索研究。
月亮上的“海”徒有其名，可山却是名副其实。山脉不多，大多以地球上山脉的名字命名。月亮上的山同地球上的山相比毫不逊色，甚至更加险峻陡峭。最长的山脉长达1000千米。月球南极附近的莱布尼兹山脉，最高的山峰高达9千米，地球上的最高峰见了它也得“甘拜下风”。
除了“海”和山以外；月面上还有许多其他的结构；以环形山为中心向四面八方伸展的长而宽的条纹——“辐射纹”，像峡谷一样长长的裂缝——“月谷”，“海”的分支——“湾”，比“海”高而比“陆”低的区域——“沼”，范围比较小的“暗块”——“湖”，等等。
同地球一样，月亮上也有土壤，厚度从几厘米到几十米。人们原来以为月亮上的尘土很松软，可人类登上了月亮以后，留下的第一个脚印却只有几分之一厘米深。土壤里含有氧、硅、铁、硫、钴、铝、镁、钛等元素，没有发现与地球上不同的新元素。很有意思的是这些土壤里含有不少玻璃质的小珠，它们很可能是流星体撞击月面，产生高温高压，熔化了岩石，向周围飞溅形成的。
土壤下面是岩石，大多是由熔岩凝固而成的玄武岩。在地球上根普遍、含量很丰富的钠和钾，在月球上倒很少见，而在地球上相当稀有的锆、铪、钇和稀土元素，在月岩中含量却很高。月岩中含有很多的铁、铝和钛，将来可以开发这些矿藏，用来满足人类的需要。人们利用放射性纪年法，测得月面岩石的最高年龄是472亿年，与地球年龄差不多。很可能月亮和地球是在同一种环境条件下，同时诞生的。
月亮确实荒凉沉寂，但还不是一个完全僵死的天体。它内部的温度仍然相当高，月震、山崩、火山喷发等类似地质变动的自然现象也在发生。月亮还在活动着。