Pha của Mặt Trăng phụ thuộc vào vị trí của nó trên quỹ đạo quanh Trái Đất và vị trí của Trái Đất trên quỹ đạo quanh Mặt Trời. Hình vẽ này nhìn xuống Trái Đất từ cực bắc. Sự tự quay của Trái Đất và sự quay của Mặt Trăng trên quỹ đạo theo chiều ngược chiều kim đồng hồ. Ánh sáng Mặt Trời đến từ phía phải, ký hiệu bằng các mũi tên màu vàng. Từ hình này chúng ta thấy trăng tròn luôn xuất hiện khi Mặt Trời lặn và trăng lưỡi liềm già ở trên cao đỉnh đầu vào khoảng 9 giờ tối giờ địa phương. Hình vẽ không theo tỉ lệ.

Các pha của Mặt Trăng là kết quả từ việc nhìn bán cầu được chiếu sáng của Mặt Trăng từ những vị trí hình học khác nhau; những phần tối đó không phải là do bóng của Trái Đất che lấp Mặt Trăng xảy ra trong quá trình nguyệt thực. Mặt Trăng thể hiện các pha khác nhau khi vị trí hình học tương đối của Mặt Trời, Trái Đất và Mặt Trăng thay đổi, trăng tròn (vọng) hiện lên khi Mặt Trời và Mặt Trăng ở hai phía đối diện của Trái Đất, và trăng mới (sóc) hiện lên khi chúng cùng ở một phía so với Trái Đất. Các pha trăng tròn và trăng mới là những ví dụ của hiện tượng sóc vọng, xảy ra khi Trái Đất, Mặt Trăng và Mặt Trời nằm gần theo một đường thẳng. Thời gian giữa hai lần trăng tròn (tháng Mặt Trăng) trung bình khoảng 29,53 ngày[1] (29 ngày 12 giờ 44 phút) (từ đây, khái niệm về khoảng của một chu kỳ thời gian của một tháng được suy ra). Tháng giao hội này dài hơn thời gian để Mặt Trăng quay được một vòng quanh quỹ đạo của Trái Đất so với các ngôi sao cố định ở xa (gọi là tháng thiên văn, dài khoảng 27,32 ngày[1]). Sự khác nhau này là do trong khi hệ Mặt Trăng-Trái Đất quay quanh Mặt Trời thì Mặt Trăng cũng di chuyển trên quỹ đạo quanh Trái Đất.

Thời gian thực giữa hai lần sóc vọng hoặc hai pha hơi biến đổi một chút vì quỹ đạo của Mặt Trăng có dạng elip và chịu nhiều nhiễu loạn có tính chu kỳ, khiến cho vận tốc trên quỹ đạo của nó bị thay đổi. Khi Mặt Trăng gần Trái Đất hơn, nó di chuyển nhanh hơn, khi nó ở xa so với Trái Đất, nó di chuyển chậm hơn. Quỹ đạo của Trái Đất quanh Mặt Trời cũng là một hình elip, do đó vận tốc của nó cũng bị thay đổi, và tổng hợp lại làm ảnh hưởng đến các pha của Mặt Trăng.[2]

Chúng ta mong đợi rằng mỗi tháng một lần khi Mặt Trăng đi vào giữa Trái Đất và Mặt Trời trong giai đoạn trăng mới, bóng của nó sẽ chiếu lên Trái Đất gây ra hiện tượng nhật thực. Tương tự như vậy, trong giai đoạn trăng tròn chúng ta mong rằng bóng của Trái Đất sẽ che khuất Mặt Trăng, dẫn đến hiện tượng nguyệt thực. Nhưng hai hiện tượng này không xảy ra hàng tháng được bởi vì mặt phẳng quỹ đạo của Mặt Trăng quanh Trái Đất bị nghiêng khoảng 5 độ so với mặt phẳng quỹ đạo của Trái Đất quanh Mặt Trời (gọi là mặt phẳng hoàng đạo). Do vậy, khi đến thời điểm trăng mới hoặc trăng tròn, Mặt Trăng nằm ở phía bắc hoặc nam đường nối Trái Đất và Mặt Trời. Mặc dù thiên thực chỉ có thể xảy ra khi Mặt Trăng ở thời điểm trăng mới hoặc trăng tròn, vị trí của nó cũng phải nằm gần ở giao điểm của mặt phẳng quỹ đạo của Mặt Trăng với mặt phẳng quỹ đạo của Trái Đất (còn gọi là giao điểm Mặt Trăng). Vị trí thuận lợi của Mặt Trăng xảy ra khoảng hai lần trong một năm, và do đó có khoảng 4 đến 7 lần thiên thực trong năm. Hầu hết chúng chỉ là sự che khuất một phần, và sự che khuất toàn phần hiếm khi xảy ra.