Một vài bằng chứng cho thấy rằng lõi Mặt Trăng nhỏ, với bán kính chỉ khoảng 350 km hoặc nhỏ hơn.[4] Kích cỡ của lõi Mặt Trăng chỉ bằng khoảng 20% kích thước của chính Mặt Trăng, trái ngược với khoảng 50% như đối với trường hợp của hầu hết các thiên thể đất đá khác. Thành phần của lõi Mặt Trăng chưa có giả thuyết rõ ràng, nhưng hầu hết tin rằng nó được cấu tạo từ hợp kim kim loại sắt với một lượng nhỏ lưu huỳnh và nickel. Phân tích sự tự quay của Mặt Trăng theo biến thời gian chỉ ra rằng lõi của Mặt Trăng ít nhất đã nóng chảy một phần.[10] Trong kịch bản vụ va chạm lớn, sự hình thành lõi Mặt Trăng có thể đã xảy ra trong vòng 100-1000 năm kể từ khi bắt đầu sự bồi tụ từ các mảnh vỡ mặt trăng nhỏ. [11]

Năm 2010, một tái phân tích dữ liệu địa chấn cũ từ Apollo về các chấn động Mặt Trăng sâu, sử dụng các phương pháp xử lý hiện đại xác nhận rằng Mặt Trăng có một lõi giàu sắt với bán kính 330 ± 20 km. Đợt tái phân tích cũng thiết lập rằng phần lõi trong rắn được cấu thành từ sắt nguyên chất có bán kính 240 ± 10 km. Lõi được bao quanh bởi một lớp nóng chảy một phần (10 tới 30%) của manti dưới với bán kính 480 ± 20 km (độ dày~150 km). Các kết quả trên có thể suy ra rằng 40% về thể tích của lõi đã hóa rắn. Mật độ của lõi ngoài lỏng là khoảng 5 g/cm3 và nó có thể chứa tới 6% lưu huỳnh về khối lượng. Nhiệt độ bên trong lõi có thể vào khoảng 1600–1700 K (1330–1430 °C).[12]

Năm 2019, một tái phân tích 50 năm dữ liệu thu thập từ Lunar Laser Ranging Experiment (gồm các nhiệm vụ Luna và Apollo) với dữ liệu trường hấp dẫn Mặt Trăng từ nhiệm vụ GRAIL, cho thấy đối với một lõi Mặt Trăng lỏng và giãn với thạch quyển không cân bằng thủy tĩnh, độ dẹt của lõi được xác định bằng (22±06)×10−4 với bán kính của ranh giới giữa lõi và manti bằng 381±12 km.[13]