Sau khi hình thành 4,5 tỉ năm trước, bề mặt của Mặt Trăng là một đại duơng macma lỏng. Các nhà khoa học tin rằng một loại đá có mặt trên bề mặt của Mặt Trăng, với tên gọi KREEP (K -[kali], REE -Rare Earth Eelements [nguyên tố đất hiếm], P -[photpho]) đại diện cho sự tiến hóa cuối cùng của đại duơng macma này. Đặc điểm đáng chú ý nhất của KREEP là nó có hàm lượng nhiều các nguyên tố "không tương thích":[2] đây là những nguyên tố không có xu hướng tích hợp vào cấu trúc tinh thể và tập trung ở pha lỏng trong quá trình kết tinh macma. Đối với các nhà nghiên cứu, KREEP là những dấu hiệu thuận tiện, hữu ích để hiểu rõ hơn về lịch sử của lớp vỏ Mặt Trăng, cho dù đó là hoạt động macma hay các lần va chạm của nó với sao chổi và các thiên thể khác.

Từ các nhiệm vụ thăm dò từ quỹ đạo Clementine và Lunar Prospector, các nhà khoa học đã lập bản đồ địa hóa cho thấy rằng thành phần của lớp vỏ ngoài của Mặt Trăng phần lớn là anorthosit,[3] phù hợp với giả thuyết đại dương macma. Về mặt nguyên tố, lớp vỏ Mặt Trăng có thành phần chủ yếu gồm oxy, silic, magnesi, sắt, canxi, và nhôm, nhưng các nguyên tố hàm lượng nhỏ và quan trọng, chẳng hạn titan, urani, thori, kali, và hydro cũng có mặt. Dựa trên các kỹ thuật địa vật lý, lớp vỏ được ước tính có độ dày trung bình khoảng 50 km.[4]

Bề mặt

Lớp vỏ Mặt Trăng được phủ bởi một lớp bụi rắn được gọi là lớp đất mặt (regolith). Phân bố của regolith và lớp vỏ Mặt Trăng là không đồng đều.

• Độ dày của regolith, được suy ra từ hình thái của các hố va chạm với các kích cỡ khác nhau, biến thiên từ 3 đến 5 mét tại các biển, lên tới 10 đến 20 mét trên các cao nguyên. Một phân tích chi tiết của khu vực thuộc Đại dương Bão tố được lựa chọn cho điểm đổ bộ của nhiệm vụ Thường Nga 5 của Trung Quốc cho thấy một độ dày từ 74 cm tới 18 m, với trung bình là 7,15 m.[5]
• Độ dày của lớp vỏ biến thiên từ 0 đến 100 kilômét tùy thuộc vào địa điểm. Lấy đến độ chính xác bậc nhất, ta có thể coi rằng lớp vỏ ở mặt nhìn thấy được của Mặt Trăng mỏng gấp đôi so với mặt bên kia. Ngày nay các nhà địa vật lý ước lượng rằng độ dày trung bình là khoảng 35-45 kilômét ở mặt nhìn thấy được, nhưng trước những năm 2000 họ đã từng nghĩ rằng nó có độ dày 60 kilômét. Lớp vỏ ở mặt phía xa đạt tới độ dày lớn nhất là khoảng 100 kilômét.[6]

Các nhà khoa học cho rằng sự không đối xứng trong độ dày của vỏ Mặt Trăng có thể lý giải tại sao khối tâm của Mặt Trăng lại bị lệch so với tâm thực sự. Tương tự, điều này có thể giải thích một số sự không đồng đều nhất định của của địa hình Mặt Trăng, chẳng hạn như sự phân bố của các bề mặt núi lửa nhẵn hay biển phần nhiều ở mặt phía nhìn thấy được.

Hơn nữa, vô số các đợt va chạm thiên thạch để lại dấu ấn trong lịch sử của Mặt Trăng đã làm thay đổi mạnh mẽ bề mặt của nó, tạo nên những hố sâu trong lớp vỏ. Do đó, lớp vỏ có thể đã hoàn toàn bị xới sạch ở trung tâm của các hố va chạm sâu nhất. Tuy nhiên, ngay cả khi các mô hình lý thuyết nhất định cho thấy lớp vỏ đã hoàn toàn bị biến mất ở một số nơi, các phân tích địa hóa học vẫn chưa xác nhận sự hiện diện của các mỏm đá đặc trưng của lớp phủ. Trong số các bồn địa va chạm lớn, bồn địa Nam Cực-Aitken, với đường kính 2500 km, là hố va chạm lớn nhất được biết cho đến nay trong Hệ Mặt Trời.

Một số giả thuyết cho rằng mặt phía xa có thể có cấu tạo manti khác biệt so với mặt nhìn thấy được, đây có thể là nguyên nhân gây ra sự khác biệt trong lớp vỏ của hai bán cầu.