Bulan
plagioklas berkepadatan rendah akan terbentuk dan mengapung ke bagian atas lapisan kerak. Cairan terakhir yang mengalami proses kristalisasi akan terjebak di antara kerak dan mantel, dengan inkompabilitas dan unsur penghasil panas yang berlimpah. Sesuai dengan proses ini, pemetaan geokimia dari orbit menunjukkan bahwa sebagian besar kerak Bulan bersifat anortosit, dan pengujian yang
dilakukan terhadap sampel batuan Bulan yang berasal dari banjir lava di permukaan juga menjelaskan bahwa komposisi mantel mafik Bulan lebih kaya akan besi jika dibandingkan dengan Bumi. Teknik geofisika menjelaskan bahwa ketebalan rata-rata kerak Bulan adalah 50 km.
Bulan adalah satelit terpadat kedua di Tata Surya setelah Io. Akan tetapi, inti dalam Bulan tergolong kecil, dengan radius sekitar 350 km atau kurang; ukuran ini hanya 20% dari ukuran Bulan secara keseluruhan, berbeda dengan benda langit kebumian lainnya, yang ukuran inti dalamnya hampir 50% dari ukuran keseluruhan. Komposisi Bulan belum diketahui secara pasti, namun
diduga perpaduan dari besi metalik dengan sejumlah kecil sulfur dan nikel; analisis mengenai waktu rotasi variabel Bulan menunjukkan bahwa sebagian inti Bulan berbentuk cair.
Topografi Bulan telah diukur dengan menggunakan metode altimetri laser dan analisis gambar stereo. Bentuk topografi yang paling jelas terlihat adalah basin Kutub Selatan Aitken di sisi jauh, dengan diameter sekitar sekitar 2240 km, yang merupakan kawah terbesar di Bulan serta kawah terbesar yang pernah ditemukan di Tata Surya. Titik terendah pada permukaan Bulan berada pada kedalaman 13 km. Sedangkan titik tertinggi
terdapat di bagian timur laut, yang diduga mengalami penebalan akibat pembentukan basin Kutub Selatan Aitken. Basin raksasa lainnya, seperti Imbrium, Serenitatis, Crisium, Smythii, dan Orientale, memiliki lebar dan ketinggian yang lebih rendah. Ketinggian rata-rata sisi jauh Bulan kira-kira 1.9 km lebih tinggi jika dibandingkan dengan sisi dekat.
Dataran Bulan yang berwarna gelap dan bisa diamati dengan mata telanjang disebut dengan "maria" (bahasa Latin untuk "laut"; atau "mare" dalam bentuk tunggal), karena dahulu kala para astronom mengira bahwa dataran ini dipenuhi oleh air. Dataran ini berupa kolam besar yang terbentuk dari lava basal. Meskipun serupa dengan basal kebumian, basal mare memiliki kandungan besi yang lebih tinggi dan kandungan mineral
yang kurang. Sebagian besar lava ini meletus atau mengalir melalui proses yang bersamaan dengan pembentukan kawah tubrukan. Beberapa bentuk geologi permukaan Bulan seperti gunung berapi perisai dan kubah vulkanis bisa ditemukan di maria di sisi dekat Bulan.
Maria bisa ditemukan hampir di keseluruhan sisi dekat Bulan, mencakup 31% dari total permukaan di sisi dekat, jauh lebih tinggi jika dibandingkan dengan maria pada sisi jauh, yang persentasenya hanya 2%. Hal ini diperkirakan terjadi karena tingginya konsentrasi unsur penghasil panas di bawah kerak di sisi dekat, sebagaimana yang terlihat pada peta geokimia yang diperoleh dari spektrometer sinar
gamma "Lunar Prospector", yang menyebabkan mantel mengalami pemanasan, meleleh, kemudian naik ke permukaan dan meletus. Sebagian besar basal mare Bulan meletus pada periode Imbrian, sekitar 3.0-3.5 miliar tahun yang lalu, meskipun hasil penanggalan radiometri menjelaskan waktunya lebih tua 4.2 miliar tahun yang lalu, dan letusan terakhir, berdasarkan penanggalan hitungan kawah, terjadi sekitar 1.2 miliar tahun yang lalu.
Wilayah yang berwarna lebih terang pada Bulan disebut dengan "terrae", atau "dataran tinggi" secara umum, karena wilayah ini lebih tinggi dari kebanyakan maria. Berdasarkan penanggalan radiometri, dataran tinggi Bulan terbentuk sekitar 4.4 miliar tahun yang lalu, dan diduga merupakan kumulasi plagioklas dari lautan magma Bulan. Berbeda dengan Bumi, tak ada gunung di Bulan yang diyakini terbentuk akibat peristiwa tektonik.
Proses geologi lainnya yang memengaruhi bentuk permukaan Bulan adalah kawah tubrukan, yaitu ketika kawah-kawah terbentuk akibat tubrukan antara asteroid dan komet dengan pemukaan Bulan. Diperkirakan terdapat sekitar 300000 kawah dengan luas lebih dari 1 km di sisi dekat Bulan. Beberapa kawah ini dinamakan menurut nama para pakar, ilmuwan, seniman, dan penjelajah. Skala waktu geologi Bulan
didasarkan pada peristiwa tubrukan yang paling hebat, termasuk Nectaris, Imbrium, dan Orientale, dengan struktur yang dicirikan oleh lingkaran yang terbentuk dari materi yang menguap, biasanya berdiamater ratusan hingga ribuan kilometer. Kurangnya aktivitas atmosfer, cuaca, dan proses geologi terkini membuktikan bahwa kawah-kawah ini masih dalam kondisi baik. Meskipun hanya sedikit kawah yang
diketahui asal usul pembentukannya, kawah-kawah ini tetap berguna untuk menentukan usia relatif Bulan. Karena kawah tubrukan menumpuk pada tingkat yang hampir konstan, menghitung jumlah kawah per satuan luas dapat digunakan untuk memperkirakan usia permukaan Bulan. Usia radiometrik batuan kawah yang dibawa oleh misi Apollo berkisar dari 3.8 sampai 4.1 miliar tahun; ini digunakan untuk menjelaskan waktu terjadinya tubrukan Pengeboman Berat Akhir.
Dataran yang menyelimuti bagian atas kerak Bulan adalah permukaan yang sangat terkominusi (terpecah menjadi partikel yang lebih kecil) dan lapisan permukaan kebun kawah bernama regolith, yang terbentuk akibat proses tubrukan. Regolith yang paling halus, yakni tanah Bulan dari kaca silikon dioksida, memiliki tekstur seperti salju dan berbau seperti mesiu. Regolith di
permukaan yang lebih tua umumnya lebih tebal daripada permukaan yang lebih muda; ketebalannya bervariasi, dari 10-20 m di dataran tinggi dan 3-5 m di maria. Di bawah lapisan regolith terdapat "megaregolith", lapisan batuan fraktur dengan ketebalan berkilo-kilometer.
Air cair tidak bisa bertahan di permukaan Bulan. Saat terkena radiasi Matahari, air dengan cepat akan terurai melalui proses yang dikenal dengan fotodisosiasi dan lenyap ke luar angkasa. Namun, sejak tahun 1960-an, para ilmuwan memperkirakan bahwa air es yang diangkut oleh komet saat terjadinya tubrukan atau yang dihasilkan oleh reaksi batuan Bulan
yang kaya oksigen, dan hidrogen dari angin surya, meninggalkan jejak air yang mungkin bisa bertahan di kawah kutub selatan Bulan yang dingin dan gelap secara permanen. Simulasi komputer menunjukkan bahwa hampir 14000 km permukaan Bulan berada pada bagian kutub yang gelap permanen. Ketersediaan air di Bulan dalam jumlah yang cukup adalah faktor penting dalam merencanakan proses kolonisasi Bulan
karena akan menghemat biaya; rencana altenatif untuk mengangkut air dari Bumi akan menghabiskan biaya yang sangat besar.
Bertahun-tahun yang lalu, jejak air telah ditemukan di permukaan Bulan. Pada tahun 1994, eksperimen radar bistatik di wahana "Clementine" menunjukkan adanya kantong air beku di sekitar permukaan Bulan. Namun, pengamatan radar setelahnya oleh Arecibo menunjukkan bahwa penemuan tersebut mungkin adalah batuan yang terlontar dari kawah tubrukan muda. Pada 1998, spektrometer neutron di
wahana "Lunar Prospector" menemukan adanya konsentrasi hidrogen yang tinggi di lapisan regolith dengan kedalaman satu meter di wilayah kutub. Pada 2008, analisis yang dilakukan terhadap batuan lava vulkanis yang dibawa ke Bumi oleh Apollo 15 menunjukkan adanya kandungan air dalam jumlah kecil pada interior batuan.
Pada tahun 2008, wahana "Chandrayaan-1" mengonfirmasi keberadaan air es di permukaan Bulan dengan menggunakan Moon Mineralogy Mapper. Spektrometer mengamati adanya garis penyerapan hidroksil di bawah sinar Matahari, yang membuktikan bahwa permukaan Bulan mengandung air es dalam jumlah besar. Wahana tersebut menunjukkan bahwa konsentrasi air es mungkin mencapai 1000 ppm. Pada tahun 2009,