月球始终用同一面对着我们，因此我们看到的月球面貌，天天都差不多，仅仅是被太阳照亮的部分有盈有亏。月球之所以会这个样子，是因为它的自转周期恰好与绕地球公转的周期相等。自转周期与公转周期相等，不仅仅月球是这样，其他大行星的卫星也普遍如此。天文学上称这种自转为“同步自转”。同步自转是行星引力对卫星长期作用的结果。月球对地球的引力会在地球上引起潮汐，反过来，地球对月球的引力也会在月球上引起潮汐。
月球的公转轨道与月球的赤道有6°多的夹角，这使得在月球的两极附近，有时候也会把背面露出一点点来。这种现象叫作“天平动”。由于天平动，在地球上我们可以看到月球总面积的59%。由于透视的原因，月面边缘露出来的那一点点背面的情况，是很难看清楚的。人类真正知道月球背面的情况，是在1959年之后。这一年10月7日，苏联发射了“月球3”号自动行星际站。这个无人太空探测器飞到月球上空，转到月球背后，在7000千米高空对月球背面拍照。
探测表明，月球背面的月壳平均比正面的厚。正面月壳的厚度平均在60至65千米，而背面则在85千米以上，最厚的地方甚至达到150千米。月核不在月球的几何中心，而是略微偏向地球方向。