La historia geológica de la Luna tiene varios periodos importantes. La Luna recién formada ha estado en estado fundido y orbitando cerca de la Tierra desde hace unos 4.500 millones de años. Las fuerzas de marea eran mucho mayores que las actuales. Estas fuerzas de marea forman gradualmente el objeto derretido en un elipsoide con su eje mayor apuntando hacia la Tierra.
El primer acontecimiento importante en la evolución geológica lunar fue la condensación del océano de magma lunar. Actualmente se desconoce la profundidad del océano fundido original, pero los primeros minerales que se formaron en este océano fueron silicatos de hierro y magnesio, olivino y piroxeno. Debido a que estos minerales son más densos que el material fundido que los rodea, se hunden. Los cristales de plagioclasa menos densos flotan, formando una estructura de corteza de plagioclasa de unos 50 kilómetros de espesor. La mayoría de los océanos de magma se solidifican rápidamente (del orden de 100 millones de años o menos). Después de que se formó la corteza lunar, e incluso durante su formación, otros tipos diferentes de magma comenzaron a formar sienita y plagioclasa, pero no se sabe exactamente cuándo sucedió esto.
La corteza lunar está formada por una superficie rocosa cubierta de regolito. Los asteroides y meteoritos se rompen en pequeños fragmentos cuando chocan contra la superficie de la Tierra. Al igual que la Tierra, la Luna tiene corteza, manto y núcleo. En lo profundo de su interior, la Luna puede tener un núcleo sólido rodeado por un núcleo líquido blando y algo fundido. El núcleo exterior puede extenderse hasta 500 kilómetros. Los núcleos pequeños sólo representan el 20% de la luna, y los núcleos de otros cuerpos rocosos sólo representan el 50%. La mayor parte del interior de la Luna está compuesta de litosfera, que tiene unos 1.000 km de espesor. Debido a que esta área se derritió durante la vida temprana de la Luna, proporcionó el magma necesario para formar las llanuras de lava en la superficie de la Luna. Pero con el tiempo, el magma se enfrió y solidificó, poniendo fin a la actividad volcánica en la Luna.
La corteza lunar está cubierta por una capa exterior de roca polvorienta llamada regolito. La corteza y el regolito están distribuidos de manera desigual en la Luna. Los científicos creen que esta asimetría en la corteza lunar es probablemente la razón por la que la luna se desvía de su centro de masa. La Luna tiene una atmósfera insignificante, y una fuente de esta atmósfera son los gases liberados por elementos como el radón, que se originan en las profundidades de la Luna. La Luna no es geológicamente activa en comparación con la Tierra, pero aún ocurren terremotos lunares. Al medir la cantidad de gas liberado, los científicos también pueden deducir el carácter y la frecuencia de la actividad tectónica.
Con el tiempo, cometas y meteoritos bombardearon la luna. Se sabe que los meteoritos y los cometas son ricos en agua y que los cometas son en su mayoría hielo de agua. Estas estructuras podrían dejar agua o hielo en la superficie lunar, gran parte del cual permanece como hielo. La energía producida por la luz solar descompone el agua en sus dos elementos, hidrógeno y oxígeno, que normalmente vuela inmediatamente al espacio. Sin embargo, algunas moléculas de agua pueden persistir para siempre porque quedan atrapadas para siempre en enormes cráteres, de unos 2.440 kilómetros de ancho y casi 13 kilómetros de profundidad, especialmente en los polos de la Luna. Este fenómeno será relativamente común.
Debido a que el eje de la luna está inclinado 1,5°, algunos cráteres nunca reciben luz del sol y tienen áreas de sombra permanente. Fue en este cráter donde los científicos descubrieron pequeñas cantidades de agua. En el futuro, este hielo de agua podrá extraerse y luego descomponerse en hidrógeno y oxígeno, que podrán utilizarse in situ, haciendo posible que los humanos colonicen la luna. Si bien no hay rastros de agua en las rocas lunares ecuatoriales recolectadas por los astronautas del Apolo, la reciente misión Clementine ha demostrado que hay pequeñas bolsas de hielo de agua congelada en la superficie lunar, ricas en restos de impactos de cometas conocidos como hielo, que puede estar enterrado en el área permanentemente sombreada de la corteza lunar.
La corteza lunar está compuesta de muchos elementos importantes, incluidos uranio, torio, potasio, oxígeno, silicio, magnesio, hierro, titanio, calcio, aluminio e hidrógeno. Cuando es bombardeado por rayos cósmicos, cada elemento refleja su propia radiación en forma de rayos gamma. Algunos elementos, como el uranio, el torio y el potasio, son rayos gamma inherentemente radiactivos. Pero independientemente de la causa, los rayos gamma de cada elemento son diferentes y producen un espectro único que puede detectarse con instrumentos espectrómetros.
Cuándo y dónde se libera el gas puede indicar a los científicos cómo se formó la atmósfera de la luna. Algunos elementos, como el uranio y el torio, son radiactivos.
Con el tiempo, estos elementos pierden energía y se descomponen en nuevos elementos, como el radón y el neón. La energía perdida en forma de rayos gamma, partículas alfa y partículas beta se puede medir con un espectrómetro de energía. Cada elemento diferente es una "máquina del tiempo" diferente que los científicos pueden utilizar para determinar qué sucedió en la Luna, incluso durante las últimas décadas. Junto con el radón, también se emitirán más gases, como nitrógeno, dióxido de carbono y monóxido de carbono. Comprender cuándo y dónde la Luna libera estos gases es importante para la utilización potencial del recurso.
La teoría actual sobre la evolución de nuestro sistema Tierra/Luna, conocida como teoría del impacto, sugiere que la Luna probablemente se formó hace 4 mil millones de años cuando la Tierra chocó con un objeto muy grande, expulsándose y convirtiéndose finalmente en el materia prima para la luna. Sin embargo, puede que otras teorías no sean posibles, pero tampoco son imposibles.
El proceso de impacto juega un papel importante en la formación de la corteza lunar. Dado que la Luna no tiene atmósfera, la corteza terrestre de hace 4 mil millones de años ha mantenido su aspecto geológico original. Por tanto, la luna también puede proporcionar pistas sobre la historia de la Tierra. El estudio de la corteza y la atmósfera de la Luna revela secretos sobre sus orígenes y recursos potenciales. Los científicos necesitan esta información para planificar futuras misiones lunares y considerar la viabilidad de la vida en la Luna, nuestro vecino más cercano en el sistema solar.