Кратеры на лунной поверхности имеют различный относительный возраст: от древних, едва различимых, сильно переработанных образований до очень чётких в очертаниях молодых кратеров, иногда окруженных светлыми «лучами». При этом молодые кратеры перекрывают более древние. В одних случаях кратеры врезаны в поверхность лунных морей, а в других — горные породы морей перекрывают кратеры. Тектонические разрывы то рассекают кратеры и моря, то сами перекрываются более молодыми образованиями. Эти и другие соотношения позволяют установить последовательность возникновения различных структур на лунной поверхности; в 1949 советский учёный А. В. Хабаков разделил лунные образования на несколько последовательных возрастных комплексов. Дальнейшее развитие такого подхода позволило к концу 60-х годов составить среднемасштабные геологические карты на значительной часть поверхности Л. Абсолютный возраст лунных образований известен пока лишь в нескольких точках; но, используя некоторые косвенные методы, можно установить, что возраст наиболее молодых крупных кратеров составляет десятки и сотни млн. лет, а основная масса крупных кратеров возникла в «доморской» период, 3—4 млрд. лет назад.

  В образовании форм лунного рельефа принимали участие как внутренние силы, так и внешние воздействия. Расчёты термической истории Л. показывают, что вскоре после её образования недра были разогреты радиоактивным теплом и в значительной мере расплавлены, что привело к интенсивному вулканизму на поверхности. В результате образовались гигантские лавовые поля и некоторое количество вулканических кратеров, а также многочисленные трещины, уступы и другое. Вместе с этим на поверхность Л. на ранних этапах выпадало огромное количество метеоритов и астероидов — остатков протопланетного облака, при взрывах которых возникали кратеры — от микроскопических лунок до кольцевых структур поперечником во много десятков, а возможно и до нескольких сотен км. Из-за отсутствия атмосферы и гидросферы значительная часть этих кратеров сохранилась до наших дней. Сейчас метеориты выпадают на Луну гораздо реже; вулканизм также в основном прекратился, поскольку Л. израсходовала много тепловой энергии, а радиоактивные элементы были вынесены во внешние слои Л. Об остаточном вулканизме свидетельствуют истечения углеродосодержащих газов в лунных кратерах, спектрограммы которых были впервые получены советским астрономом Н. А. Козыревым.

  Происхождение Луны окончательно ещё не установлено. Наиболее разработаны три разные гипотезы. В конце 19 века Дж. Дарвин выдвинул гипотезу, согласно которой Л. и Земля первоначально составляли одну общую расплавленную массу, скорость вращения которой увеличивалась по мере её остывания и сжатия; в результате эта масса разорвалась на две части: большую — Землю и меньшую — Л. Эта гипотеза объясняет малую плотность Л., образованной из внешних слоев первоначальной массы. Однако она встречает серьёзные возражения с точки зрения механизма подобного процесса; кроме того, между породами земной оболочки и лунными породами есть существенные геохимические различия.

  Гипотеза захвата, разработанная немецким учёным К. Вейцзеккером, шведским учёным Х. Альфвеном и американским учёным Г. Юри, предполагает, что Л. первоначально была малой планетой, которая при прохождении вблизи Земли в результате воздействия тяготения последней превратилась в спутник Земли. Вероятность такого события весьма мала, и, кроме того, в этом случае следовало бы ожидать большего различия земных и лунных пород.

  Согласно третьей гипотезе, разрабатывавшейся советским учёными — О. Ю. Шмидтом и его последователями в середине 20 века, Л. и Земля образовались одновременно путём объединения и уплотнения большого роя мелких частиц. Но Л. в целом имеет меньшую плотность, чем Земля, поэтому вещество протопланетного облака должно было разделиться с концентрацией тяжёлых элементов в Земле. В связи с этим возникло предположение, что первой начала формироваться Земля, окруженная мощной атмосферой, обогащенной относительно летучими силикатами; при последующем охлаждении вещество этой атмосферы сконденсировалось в кольцо планетезималей, из которых и образовалась Л. Последняя гипотеза на современном уровне знаний (70-е годы 20 века) представляется наиболее предпочтительной.

  Новый этап исследования Луны начался с запуском к Л. первых автоматических межпланетных станций (АМС). Исследования ведутся в СССР при помощи АМС «Луна» (к сентябрю 1973 запущена 21 АМС) и «Зонд», в США выполнены программы «Рейнджер», «Лунар Орбитер», «Сервейер» и «Аполлон» (о первых 13 запусках смотри статью «Аполлон», о 14—17-м смотри в таблице при статье Космонавтика). В начале 1959 в СССР АМС «Луна-1» была впервые сообщена вторая космическая скорость и таким образом была создана первая искусственная планета. АМС «Луна-2» доставила 14 сентября 1959 на Л. вымпел с изображением Государственного герба СССР, а 7 октября 1959 АМС «Луна-3», пролетев на расстоянии около 65 000 км от Л., впервые сфотографировала около ¹/₃ обратной её стороны. Переданные с помощью телевидения изображения позволили составить первый атлас обратной стороны Л. 20 июля 1965 АМС «Зонд-3» доставила значительно более чёткие изображения почти всей остальной части обратной стороны Л., которая отличается от видимой почти полным отсутствием морей, за редкими исключениями (например, Море Москвы). Почти вся поверхность гориста и покрыта кратерами различных размеров. На обратной стороне Л. были обнаружены цепочки кратеров длиной до нескольких сотен километров. В результате исследований фотографий обратной стороны Л., снятых АМС «Луна-3» и «Зонд-3», в СССР был выпущен «Атлас обратной стороны Луны» с каталогом около 4000 впервые обнаруженных образований. В 1966 — 1967 по материалам этого «Атласа» и снимкам видимой с Земли поверхности Луны в СССР были составлены и опубликованы первая в мире полная карта Л. (см. рис.) и полный глобус Л.; в 1968 выпущен атлас из 7 карт экваториальной зоны видимого полушария Л.

  Американская АМС «Рейнджер-7», запущенная 28 июля 1964 на Л., передала около 200 фотографий с расстояний от 1800 до 0,3 км; на снимках видно, что кратеры размерами от видимых с Земли до 1—2 м в диаметре встречаются и на кажущейся гладкой поверхности морей. АМС «Луна-9», запущенная 31 января 1966, впервые совершила 3 февраля 1966 мягкую посадку на Л. С её помощью была передана на Землю панорама окружающей местности. На поверхности мелкозернистого строения были видны отдельные камни или комья, вероятно, выброшенные при падении метеоритов или при вулканических извержениях. АМС «Луна-10», запущенная 31 марта 1966, стала 3 апреля 1966 первым искусственным спутником Луны. В июне — декабре 1966 американские и советские космические аппараты произвели исследования механических свойств грунта, определив его плотность и прочность. Самый верхний слой имеет плотность 1,1—1,2 г/см³ и выдерживает нагрузку до 1 кг/см², но уже на глубине немногих дм плотность и прочность значительно возрастают. Американские искусственные спутники Л. серии «Лунар Орбитер» передали на Землю среднемасштабные фотографии почти всей поверхности Л. и крупномасштабные фотографии ряда отдельных участков. Измерения скорости движения этих спутников вокруг Л. позволили составить гравитационные карты Л. При этом оказалось, что в районе круглых морей залегают массы вещества повышенной плотности (масконы).

  21 июля 1969 на Л. впервые высадились люди — американские космонавты Н. Армстронг и Э. Олдрин, доставленные туда космическим кораблём «Аполлон-11». При последующих запусках кораблей «Аполлон» на Л. побывало ещё 10 человек. Космонавты доставили на Землю несколько сотен кг образцов и провели на Л. ряд исследований: измерения теплового потока, магнитного поля, уровня радиации, интенсивности и состава солнечного ветра (потока частиц, приходящих от Солнца). Оказалось, что тепловой поток из недр Л. примерно втрое меньше, чем из недр Земли. В породах Л. обнаружена остаточная намагниченность, что указывает на существование у Л. в прошлом магнитного поля. На Л. были оставлены приборы, автоматически передающие информацию на Землю, в том числе сейсмометры, регистрирующие колебания в теле Л. Сейсмометры зафиксировали удары от падений метеоритов и «лунотрясения» внутреннего происхождения. По сейсмическим данным было установлено, что до глубины в несколько десятков км Л. сложена относительно лёгкой «корой», а ниже залегает более плотная «мантия». Продолжительность сейсмических колебаний на Л. (в несколько раз большая, чем на Земле), видимо, связана с сильной трещиноватостью верхней части «коры».