La géologie de la Lune est une géologie bien différente de celle de la Terre. La Lune n'ayant ni atmosphère ni cours d'eau, l'érosion due aux phénomènes météorologiques est absente. La tectonique des plaques, telle qu'on la connait sur Terre, n'y a pas d'équivalent ; la gravité y est faible et son sol se refroidit plus rapidement.
La Lune est un astre différencié, avec une croûte, un manteau et un noyau.
La surface lunaire résulte d'une géomorphologie complexe combinant différents processus, comme les impacts météoritiques et le volcanisme.
Les études géologiques de la Lune sont basées sur la combinaison d'observations télescopiques depuis la Terre, de mesures en orbite par des engins spatiaux, d'analyses des échantillons de roche lunaire et des données géophysiques.
Peu d'endroits ont été visités au cours des missions du programme Apollo à la fin des années 1960 et au début des années 1970, qui ont rapporté environ 385 kilos de roche lunaire sur Terre, ainsi que plusieurs missions de l'Union soviétique via le programme Luna.
La Lune est le seul corps extraterrestre pour lequel l'Homme dispose d'échantillons dont on connaît l'origine géologique. Cependant, plusieurs questions sur les caractéristiques géologiques de la Lune restent sans réponse.
Selon plusieurs hypothèses, la Lune aurait été formée il y a 4,60 milliards d'années. Elle serait la résultante d'une énorme collision de la Terre avec un météorite. Plusieurs morceaux de la Terre s'en seraient détachés pour former un anneau autour. C'est lorsque ces débris se sont entrechoqués qu'il y a eu formation de la Lune, environ une dizaine d'année après la collision du météorite avec la Terre. Durant les milliards d'années qui suivirent la formation de la Lune, celle-ci eut plusieurs collisions avec des météorites qui ont rapidement arrêté son activité interne, c'est pour cette raison que sa surface n'a pas beaucoup évolué et qu'aujourd'hui il reste encore des traces de ces impacts à sa surface.
La lune est composée de trois grandes couches internes : la croûte lunaire, le manteau lunaire et le noyau lunaire.
La croûte lunaire est principalement composée de 4 types de minéraux : on y retrouve le feldspath plagioclase, le pyroxène, l'olivine et l'ilménite. Elle est constituée d'anorthosites. Ceux-ci sont en fait des roches plutoniques.
La croûte lunaire est faite de roches semblables à du granite, qui ont beaucoup de calcium. L'épaisseur est différente entre la face cachée et la face visible de la Lune. Pour la face cachée, elle serait d'environ 90 km, alors qu'elle serait située entre 40 et 50 km pour la face visible.
Le manteau postérieur est formé de beaucoup de silicates, mais peu de métaux. La température n'est pas égale sur tout le manteau, plus il s'approche du milieu plus la température est élevée, ce phénomène est due à la désintégration radioactive de constituants secondaires des roches lunaire. Dans le manteau inférieur, la température est tellement élevée que les roches fondent tranquillement. Ce manteau est d'environ 1 000 km sous la croûte lunaire.
Le noyau lunaire, très chaud (près de 1500 °C) est constitué de fer et de nickel.