Bước tiến đầu tiên trong việc quan sát Mặt Trăng được thực hiện nhờ sự phát minh kính viễn vọng. Galileo Galilei đã sử dụng tốt công cụ này để quan sát các ngọn núi và hố va chạm trên Mặt Trăng.

Cuộc chạy đua vũ trụ thời Chiến tranh Lạnh giữa Liên Xô và Hoa Kỳ đã dẫn tới sự tập trung chú ý vào Mặt Trăng. Các phi vụ tàu vũ trụ không người lái, kể cả bay ngang qua và va chạm/hạ cánh, đã được thực hiện ngay khi các khả năng phóng tàu của con người cho phép. Chương trình Luna của Liên bang Xô viết đã lần đầu tiên đưa được tàu vũ trụ không người lái tới Mặt Trăng. Vật thể đầu tiên do con người chế tạo thoát được lực hấp dẫn Trái Đất đi tới gần Mặt Trăng là Luna 1, vật thể nhân tạo đầu tiên va chạm xuống bề mặt Mặt Trăng là Luna 2, và những bức ảnh đầu tiên về bề mặt không nhìn thấy được của Mặt Trăng đã được Luna 3 chụp, ba phi vụ này diễn ra năm 1959. Tàu vũ trụ đầu tiên thực hiện thành công hạ cánh nhẹ nhàng xuống Mặt Trăng là Luna 9 và phương tiện không người điều khiển đầu tiên bay quanh quỹ đạo Mặt Trăng là Luna 10, hai phi vụ này diễn ra năm 1966.[1] Các mẫu vật từ Mặt Trăng đã được các phi vụ Luna (Luna 16, 20, và 24) và các phi vụ Apollo 11 tới 17 đưa về Trái Đất (ngoại trừ Apollo 13, đã phải hủy bỏ kế hoạch hạ cánh).

Những bước chân đầu tiên của con người trên Mặt Trăng năm 1969 được coi là đỉnh cao của cuộc chạy đua vũ trụ.[60] Neil Armstrong trở thành người đầu tiên đi bộ trên bề mặt Mặt Trăng với tư cách chỉ huy phi vụ Apollo 11 của Hoa Kỳ lúc 02:56 UTC ngày 21 tháng 7 năm 1969. Các cuộc hạ cánh xuống Mặt Trăng và quay trở về Trái Đất đã được thực hiện nhờ các tiến bộ kỹ thuật to lớn, trong các lĩnh vực như tiêu mòn hóa học và kỹ thuật tái thâm nhập khí quyển hồi đầu thập niên 1960.

Các gói phương tiện kỹ thuật đã được đặt trên bề mặt Mặt Trăng trong mọi phi vụ Apollo. Các trạm ALSEP (Gói thí nghiệm bề mặt Mặt Trăng Apollo) có tuổi thọ sử dụng dài đã được đặt tại các địa điểm hạ cánh của Apollo 12, 14, 15, 16, và 17, trong khi đó các trạm tạm thời được gọi là EASEP (Gói kỹ thuật khoa học Apollo ban đầu) đã được đặt khi thực hiện phi vụ Apollo 11. Các trạm ALSEP có các thiết bị như máy thăm dò dòng, máy đo địa chấn, từ kế và các thiết bị phản hồi. Việc truyền dữ liệu về Trái Đất đã kết thúc ngày 30 tháng 9 năm 1977 vì các lý do tài chính.[61][62] Bởi các thiết bị phản hồi laser Mặt Trăng (LLR) là các thiết bị động nên chúng vẫn còn được sử dụng. Việc chiếu tia laser lên các trạm LLR vẫn được thực hiện hàng ngày từ các trạm ở Trái Đất với độ chính xác vài centimét, và dữ liệu thu được dùng để tính toán kích thước lõi Mặt Trăng.[63]

Cho tới nay, Eugene Cernan, thành viên của phi vụ Apollo 17, là người cuối cùng rời bề mặt Mặt Trăng, vào ngày 14 tháng 12 năm 1972 và từ đó chưa từng có ai đặt chân lên đây.

Từ giữa thập niên 1960 tới giữa thập niên 1970, 65 vật thể nhân tạo đã bay tới Mặt Trăng (cả có và không có người điều khiển, chỉ riêng trong năm 1971 đã có 10 vụ), lần cuối là của Luna 24 năm 1976. Chỉ 18 phi vụ trong số đó là những cuộc hạ cánh xuống Mặt Trăng có điều khiển, 9 phi vụ hoàn thành cuộc du hành vòng quanh từ Trái Đất và quay trở về với các mẫu đá Mặt Trăng. Liên Xô sau đó đã đặt trọng tâm chú ý vào Sao Kim và các trạm vũ trụ, còn Hoa Kỳ tập trung vào Sao Hỏa và các hành tinh phía ngoài. Năm 1990, tàu vũ trụ Hiten của Nhật Bản đã bay trên quỹ đạo quanh Mặt Trăng, khiến nước này trở thành quốc gia thứ ba đưa được tàu vũ trụ vào quỹ đạo Mặt Trăng. Tàu vũ trụ này thả một tàu thăm dò nhỏ, Hagormo, vào quỹ đạo Mặt Trăng, nhưng thiết bị truyền dữ liệu bị hỏng nên các sứ mệnh khoa học sau đó đã không thể thực hiện.

Năm 1994, cuối cùng Hoa Kỳ cũng quay lại với Mặt Trăng, tuy chỉ bằng robot, tàu vũ trụ Clementine. Phi vụ này đã thực hiện được việc lập bản đồ địa hình gần toàn bộ của Mặt Trăng lần đầu tiên, và các hình ảnh đa phổ đầu tiên về bề mặt Mặt Trăng. Tiếp sau đó là phi vụ Lunar Prospector năm 1998. Quang phổ kế nơtron trên Lunar Prospector cho thấy sự hiện diện với số lượng lớn của hiđrô tại các vùng cực của Mặt Trăng, dường như được gây ra do sự hiện diện của băng ở vài mét bên trên tầng regolith bên trong những hố va chạm không bao giờ được chiếu sáng. Tàu vũ trụ Smart 1 của châu Âu được phóng đi ngày 27 tháng 9 năm 2003 và ở trên quỹ đạo Mặt Trăng từ ngày 15 tháng 11 năm 2004 đến ngày 3 tháng 9 năm 2006.

Ngày 14 tháng 1 năm 2004, Tổng thống Hoa Kỳ George W. Bush đã kêu gọi một kế hoạch thực hiện các phi vụ có người điều khiển tới Mặt Trăng vào năm 2020 (xem Viễn cảnh Thám hiểm Mặt Trăng).[64] NASA hiện có kế hoạch xây dựng một tiền trạm thường trực tại một trong các cực Mặt Trăng.[65] Cộng hòa Nhân dân Trung Hoa đã đưa ra các kế hoạch đầy tham vọng nhằm thám hiểm Mặt Trăng và đã bắt đầu Chương trình Thường Nga để thực hiện mục tiêu này, họ đã phóng thành công tàu vũ trụ đầu tiên, Thường Nga-1, ngày 24 tháng 10 năm 2007.[66]

Phi vụ thám hiểm Mặt Trăng đầu tiên của Ấn Độ, Chandrayaan I, đã quay trên quỹ đạo quanh Mặt Trăng vào ngày 8 tháng 11 năm 2008 cho đến khi mất liên lạc với con tàu vào ngày 27 tháng 8 năm 2009. Con tàu này đã gửi về bản đồ bề mặt Mặt Trăng độ phân giải cao về thành phần hóa học, ảnh chụp địa chất và khoáng vật, từ đó xác nhận sự có mặt của phân tử nước trong đất Mặt Trăng.[67] Cơ quan nghiên cứu không gian Ấn Độ có kế hoạch phóng tàu Chandrayaan II vào năm 2013, nó sẽ mang theo một rô bốt tự hành của Nga đổ bộ lên Mặt Trăng.[68][69]Hai tàu Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) và LCROSS chứa khối va chạm được phóng lên đồng thời và chúng đã đi vào quỹ đạo quanh Mặt Trăng ngày 18 tháng 6 năm 2009; LCROSS đã hoàn thành phi vụ của nó khi con tàu thả khối va chạm và thực hiện quan sát sự kiện va chạm xảy ra ở hố Cabeus vào ngày 9 tháng 10 năm 2009,[70] trong khi LRO hiện tại vẫn đang hoạt động, và gửi về trung tâm điều khiển các bức ảnh có độ phân giải cao.

Giải Lunar X của Google, được thông báo ngày 13 tháng 9 năm 2007, hy vọng khuyến khích việc thám hiểm Mặt Trăng do tư nhân tài trợ. Quỹ X Prize sẽ trao cho bất kỳ ai 20 triệu dollar Mỹ nếu họ cho hạ cánh thành công một thiết bị robot xuống Mặt Trăng và đạt được một số tiêu chí do họ quy định.

Ngày 14 tháng 9 năm 2007 Cơ quan Thám hiểm Không gian Nhật Bản đã phóng SELENE một tàu vũ trụ quỹ đạo Mặt Trăng được trang bị một camera có độ phân giải cao và hai vệ tinh nhỏ. Phi vụ này được chờ đợi kéo dài trong một năm.[71]

Tàu Kaguya của Nhật Bản phóng lên năm 2007 đã tìm thấy Uranium trên Mặt Trăng bằng máy phân tích quang phổ tia gamma. Mặt Trăng hứa hẹn sẽ là nguồn cung cấp Uranium dồi dào cho Trái Đất.