月球形成时可能存在稀薄的原始大气层，月球早期岩浆与火山活动必然释放出大量火山气体，但这些气体早已逃逸殆尽，没有留下可供追索的痕迹。现今月球极稀薄的大气层主要由氖、氢、氦、氩等气体组成，推测其可能主要来源于太阳风，但月球大气层中的气体分子的精确组成、月球白昼与黑夜期间气体分子被月壤吸附或释放的过程与机理，月球大气层的演化过程等问题，至今仍然模糊不清。

　　2、月球的电离层

　　现有的月球探测资料证明，31亿年前月球曾经有过全球性偶极磁场，月球早期可能存在过比现今更为稠密的大气层，因而可能曾经有过电离层的发育；但随着月球全球性偶极磁场的消失和大气分子的逃逸，月球全球性电离层或局部区域电离层是否存在，尚有待新的探测结果来证实。

　　3、月球地形地貌的类型与成因

　　月球的地形地貌类型主要包括月海、高地与撞击坑。为什么绝大多数月海分布在月球正面（面向地球的一面），而月球背面却以高地为主，月海分布很少？月球上存在着古代火山口及构造盆地三种不同成因的环形构造，但从遥感影像上难以区分与鉴别，因此只能统称为撞击坑，这一问题还有待澄清。月球上撞击坑的大小与密度随月球演化的历史进程而减小，是否说明太阳系小天体的数量和小天体撞击行星的频率随时间而变小？这一问题也有待回答。

　　4、地月空间环境与月表环境

　　太阳活动与银河宇宙线通量、能量的变化直接影响了地月空间环境的变化，由于探测数据不足，对地月空间环境难以取得规律性认识。而月表环境受太阳活动、宇宙射线、昼夜温差、月球表面地形地貌、月壤和月球岩石的物理化学性质与分布、内部物理场等诸多因素的影响，不同区域的差异性极大，需要进行多种区域环境探测的资料积累。

　　5、月壤的物质来源、分布特征与形成过程

　　一般认为，月壤起源于就地岩石粉碎和外来溅射物的混合，月壤形成的主要动力包括：月球岩石受温差变化热胀冷缩破碎，受撞击粉碎溅射，以及宇宙射线、太阳辐射和太阳风粒子的长期注入。月壤中的各种组分具有不同的来源和成因，不同地区的月壤在物质组成的物理化学的性质上差异性极大，这些需要进行系统的探测与积累。

　　月壤的成熟度与颗粒直径、物质成分和月壤厚度存在一定的相关性，月壤成熟度的判定指标尚存在争议。月壤吸附太阳风粒子的机制和效应，特别是不同矿物吸附太阳风粒子的能力差异的内在机制尚不清晰，太阳风组分在月壤颗粒中的赋存状态还缺乏精细研究。

　　6、月球的主要岩石类型与分布

　　月球的主要岩石类型仅仅是根据月球正面9个采样点获得的样品和月球陨石的精细研究而确定的，各种岩石类型的分布是根据地形地貌、矿物、化学成分的遥感探测资料的反演而推测的，存在一定的多解性，月球上是否存在酸性岩浆岩仍存在疑问。

　　7、月球水冰之谜

　　1994年，克莱门汀号月球探测器使用双基地雷达对月球进行了探测，根据雷达波反射的数据，估计月球极区的撞击坑（处于太阳照射不到的永久阴影区）中可能存在水冰。1998年，月球勘探者号探测器使用中子谱仪，也对该地区进行了探测，为了进一步证实水冰是否存在，当月球勘探者号完成基本探测任务后，美国国家航空航天局发布指令让它撞击在可能含有水冰的地区。如果这个地区确实含有大量的水冰，则当月球勘探者号撞击之后的瞬间，将会产生大量的水蒸气；但是，通过在地面观测站和太空卫星观测，都没有观测到这种现象，因此，月球极区是否有水冰，目前还是一个谜。
如果月球上真的存在水冰，那么，水冰来自哪里，如何在极区的永久阴影区中富集并保存下来，月球上的水冰有没有开发利用前景，能否解决未来月球基地的水资源需求？这些问题的分歧和争议还很多，目前尚无定论。

    8、月球的大地构造区划

　　目前，人类对月球地质构造的认识完全是基于全月球的小比例尺遥感影像的解译，因而存在难以确定的多解性。关于月球地体单元的划分，也仅仅是依据某些化学元素的遥感探测并结合少量样品的精细研究而做出的推测。因此，关于月球的大地构造区划、地体单元的厘定、断裂与环形构造原分布等，仍然缺乏实地的验证。
至于月球的区域地质构造研究，目前几乎还是空白，仅有月球正面的个别区域，根据月表遥感影象进行地质构造的初步分析。

　　9、月球内部层圈结构与形成过程

　　根据月震波和小天体撞击产生的弹性波在月球内部传播速度的变化，月球的内部结构与地球和其他类地行星相似，可以划分出月壳、月幔与月核，对于月壳的特质成分、岩石类型与物理性质判断有比较充分的科学依据，而对于月幔与月核的矿物组成、化学成分、热状态与物理特征的描述，目前推测与地球的地幔和地核相似，但仍然缺少严密的科学论证。
至于月球内部层圈结构的成因，基本上是用地球层圈结构成因的模型，带有较大的不确定性，尚缺乏月球内部层圈结构的成因模型。

　　10、月球内部物质分布的不均一性

　　月球内部物质分布不均一性的研究主要是依据月球勘探者号探测器轨道的精确测定数据和Apollo月球地震台站对月震产生的弹性波传播速度的记录数据、反演重力场模型和内部物质分布的不均一性，证明月球内部物质分布极不均一，发育着多个重力异常区——质量瘤。质量瘤的大小、分布、物质组成与成因仍然众说纷纠。

　　11、月球内部能源与月球物质的演化

　　月球和行星的内部能源以及随时间的衰减、传导和分配是制约月球的行星演化的的动力。根据组成月球的初始物质和放射性元素丰度的模型，可以推测出月球的热演化历史。据推测，月球形成初期曾发生过岩浆洋事件，形成广泛分布的斜长岩；相继发生了广泛的月海玄武岩喷发。由于月球内部能源衰减的速度较快，内部冷却固化，岩浆难以持续分异演化，因而自31亿年以来，月球的岩浆活动、火山活动和构造运动趋于平和与宁静，月球内部能源的衰减、热平衡与内部物质的演化至今还没有建立定量的演化模型。

　　12、月球演化的重大事件

　　人类对地球进行过全面、深入、系统的研究，但对于地球演化的重大事件至今仍然难以精细确定，对每一重大事件的起因和对地球演化进程的作用与影响，仍然争论不息。
月球演化重大事件的研究是建立月球演化历史的关键,而其与地月系的轨道演化、月球内部层圈结构的形成与内部物质的分异调整、内部物理场的形成与演变、月球空间环境变化、内部能量的积累、传输与平衡的内在联系，仍然很不清晰。