atmosferi olmadığından hava durumu ve dolayısıyla ondan kaynaklanacak bir erozyon görülmez; Ay'ın levha tektoniği yoktur ve kütle çekimi, Dünya'nınkinden azdır. Küçük boyutlarından dolayı daha çabuk soğumuştur. Yüzeyinin karmaşık morfolojisi farklı süreçlerin kombinasyonuyla, bilhassa çarpma kraterleri ve volkanizmayla meydana gelmiştir. Ay farklılaşmış bir cisim olup kabuk, manto ve çekirdekten meydana gelir.

Ay hakkındaki jeolojik çalışmalar Dünya tabanlı teleskop gözlemleri, yörüngesindeki uzay araçlarının ölçümleri, Ay örnekleri ve jeofizik verilerin birleşimine dayanmaktadır. 1960'ların sonu ve 1970'lerin başında "Apollo" misyonları gibi Sovyet "Luna "programının çeşitli misyonları, birkaç yerden nümune alarak yaklaşık 380 kilogram Ay kayacı ve toprak Dünya'ya getirdi. Ay, bilinen jeolojik bağlamla örneklere sahip olduğumuz tek dünya dışı cisimdir. Dünya'da Ay'dan geldikleri kraterleri bilinmeyen bir avuç Ay meteorunun varlığı fark edilmiştir. Ay yüzeyinin önemli bir bölümü keşfedilmemiş olup bir dizi jeolojik soru cevapsız kalmaktadır.

Ay yüzeyi üzerinde mevcut olduğu bilinen elementlerin arasında, oksijen (O), silisyum (Si), demir (Fe), magnezyum (Mg), kalsiyum (Ca), alüminyum (Al), mangan (Mn) ve titanyum (Ti) bulunmaktadır. Daha bol mevcut olanlar arasında oksijen, demir ve silisyum bulunmaktadır. Oksijen içeriğinin (ağırlık olarak) %45 olduğu tahmin edilmektedir. Karbon (C) ve azot (N), sadece eser miktarlarda Güneş rüzgârı tarafından oraya getirmesiyle gelmiş gibi görünmektedir.

Lunar Prospector'den gelen nötron spektrometresi verileri, kutuplarda konsantre hidrojen (H) varlığını göstermektedir.

Uzun bir süre için Ay'ın geçmişine ilişkin temel soru kökeni oldu. Erken hipotezler Dünya'dan "kopma", "yakalanma "ve "eş birikimi" içermekteydi. Bugün, dev darbe hipotezi bilim camiasının büyük kısmı tarafından kabul edilir.

Ay'ın jeolojik geçmişi kamerî jeolojik zaman cetveli denilen altı ana dönemde tanımlanmıştır. Yaklaşık 4,5 milyar yıl önce yeni şekillenmiş olan Ay erimiş durumda ve Dünya'ya çok daha yakın yörüngede olduğundan gelgit güçlerinin etkisindeydi. Bu gelgit kuvvetleri, ana ekseni Dünya'ya doğru dönmüş hâldeki erimiş bu cismi bir elips şeklinde deforme etti.

Ay'ın jeolojik evriminde ilk önemli olay, neredeyse küresel magma okyanusunun kristalleşmesi oldu. Derinliğinin ne kadar olduğu kesin olarak bilinmiyor, fakat bâzı çalışmalar yaklaşık 500 km veya daha büyük bir derinliği ima eder. Bu okyanusta oluşan ilk mineraller, demir ve magnezyumun silikatleri olan olivin ve piroksen idi. Bu mineraller çevrelerindeki erimiş malzemeden daha yoğun olduğu için battı. Kristalleşme yaklaşık %75 tamamlandıktan sonra daha az yoğun anortositik plajiyoklaz feldspat kristalleşti ve yüzmeye başlayarak yaklaşık 50 km kalınlığında anortositik bir kabuk oluştururdu. Magma okyanusunun çoğunluğu, sona kalan yüksek derecede uyumsuz ve ısı üreten, KREEP açısından zengin magmaların birkaç yüz milyon (ya da belki 1 milyar) yıl boyunca kısmen ergimiş durumda kalmış olmasına rağmen hızlı bir şekilde (yaklaşık 100 milyon yıl veya daha kısa sürede) kristalize oldu. Bu magma okyanusunda KREEP açısından zengin magmaların sonunda tektonik olarak eşsiz jeolojik bir bölge olup artık Procellarum KREEP Arazisi olarak bilinen Oceanus Procellarum bölgesi ve Imbrium havzasında konsantre oldukları anlaşılmaktadır.

Kamerî kabuk oluştuktan kısa bir müddet sonra, hatta oluşmaya devam ederken Mg-suite noritler ve troktolitlere sebep olabilecek muhtelif magma türleri oluşmaya başlamasına rağmen bunun olduğu derinlikler kesin olarak bilinmemektedir. Son teoriler, kökenleri halen bilim dünyasında oldukça tartışılmalı da olsa bu magmaların büyük ölçüde Procellarum KREEP Arazisi bölgesiyle sınırlı ve genetik olarak bir şekilde Mg-suite plütonizmiyle ilişkili olduğunu göstermektedir. Mg-suite kayaçlarının en eskilerinin kristalleşme yaşları 3,85 Gy civarındadır. Fakat kabuğun derinliklerine kazabilecek son büyük çarpış (Imbrium havzası) da 3,85 Gy önce meydana geldi. Böylece Mg-suite plütonik etkinliği çok daha uzun bir süre devam etmesi ve genç plütonik kayaçların yüzeyin altında büyük derinliklerde bulunması muhtemel görünüyor.

Ay numunelerinin analizi, Ay çarpma havzalarının önemli bir yüzdesinin çok kısa bir süre içinde, yaklaşık 4 ve 3,85 Gy önce meydana geldiğini ima eder gibi görünüyor. Bu hipotez, Ay Felaketi veya Geç Dönem Ağır Bombardıman olarak adlandırılır. Fakat şimdi Imbrium darbe havzasından (Ay'daki en genç büyük çarpma havzalarından biri) "Apollo" iniş yerlerinin hepsinde ejektadan bulunması gerektiği kabul edilmektedir. Bu yüzden bâzı darbe havzaları için (özellikle Mare Nectaris) yanlışlıkla Imbrium'la aynı yaşın verilmiş olması mümkündür.

Ay denizleri (maria) antik akan bazalt patlamalarını göstermektedir. Karasal lavlara göre bunlar, demirce daha zengin olup düşük viskozitelere sahiptirler ve bazıları da bir titanyum açısından zengin olan ilmenitin yüksek derecede arttırılmış şeklini ihtiva eder. Bazı deniz örnekleri 4,2 Gy kadarken ve (krater sayma yöntemine dayalı olarak) en gençleri sadece 1 milyar yıl önce patlak verdiğine inanılırken bazaltik patlamaların büyük çoğunluğu, yaklaşık 3 ila 3,5 Gy önce meydana geldi. Denizlerin volkanizmasıyla birlikte yanardağdan yüzlerce kilometre uzağa erimiş bazalt malzemeleri taşıyan piroklastik patlamalar başladı. Denizlerin büyük bir kısmı, Ay'ın yakın yüzüyle ilişkili düşük yüksekliklerdeki çarpma havzalarını oluşturdu veya içlerine aktı. Fakat Oceanus Procellarum herhangi bir darbe yapısıyla uyuşmaz ve bilinen en aşağı yükseklikler olan ve Ay'ın uzak tarafında bulunan Güney Kutbu-Aitken Havzası da sadece az miktarda denizlerle kaplıdır değildir (daha ayrıntılı bir tartışma için Ay denizlerine bakınız).

Kamerî anomalistik ay boyunca Dünya'nın gelgit değişim stresleri küçük varyasyonlara sebep olsa da meteor ve kuyruklu yıldızların çarpmaları, bugün Ay üzerinde etkili tek ani jeolojik kuvvetlerdir. Ay stratigrafisinde kullanılan en önemli kraterlerden bazıları bu yeni devride şekillenmiştir. Mesela 3,76 km derinlik ve 93 km çapındaki Copernicus kraterinin (tartışmalı olsa da) yaklaşık 900 milyon yıl önce oluştuğu düşünülmektedir. "Apollo 17" misyonu, Tycho kraterinden gelen malzemeleri örneklenmiş olabileceği bir alana indi. Yine tartışmalı olmasına rağmen bu kayaçlar üzerinde yapılan çalışmalar, kraterin 100 milyon yıl önce oluşmuş olabileceğine işaret ediyor. Yüzey yüksek enerjili parçacıklar, Güneş rüzgârı implantasyonu ve mikrometeorit etkilerinden dolayı uzay ayrışması yaşadı. Bu süreç, genç kraterlerle ilişkili ışın sistemlerinin çevrenin yüzey aklığı ile uyuşana kadar kararmasına sebep olur. Fakat hüzmenin bileşimi (bir "yayla" hüzmesi deniz üzerine geldiği zaman oluşabileceği gibi) altında yatan kabuk malzemelerinden farklı ise, hüzme çok daha uzun zaman görülebilir.

1990'larda Ay'ın keşifine devam edilmesiyle Ay küresi etrafında Ay'ın soğumasıyla meydana gelmiş uçurumların varlığı keşfedildi.

Ay'ın stratigrafik dizisinin tepesinde ışınlı çarpma kraterleri bulunabilir. Böyle genç kraterler Kopernik birimine aittir. Altında ışın sistemi olmayan, fakat daha ziyade gelişmiş krateri morfolojisi olan kraterler bulunabilir. Bu Eratosthenes birimidir. İki genç stratigrafik birim, Ay'da krater büyüklüğündeki noktalarda bulunabilir. Bunların altında iki uzanan tabakalar bulunabilir: (daha önce Procellarian birimi olarak tanımlanan) deniz (İng. "mare") birimleri ve İmbrium havzası ile ilgili ejekta ve tektonik birimler (İmbriyum birimleri). Başka bir darbe havzası ile ilgili birim Nektar birimi olup Nektar Havzası civarında tanımlıdır. Kamerî stratigrafik dizinin dibinde eski krater ovalarından müteşekkil Nektar öncesi birim bulunabilir. Merkür'ün tabakalanması Ay'a çok benzer.

Ay manzarası çarpma kraterleri, ejektaları, birkaç volkan, tepeler, lav akıntıları ve magma ile dolmuş depresyonlar ile karakterize edilir.
Ay'ın en belirgin yönü parlak ve karanlık bölgeleri arasındaki kontrast farkıdır. Aydınlık yüzeyler Ay'ın yaylaları olup "terrae "(Latince "Dünya"'dan, tekili "terra") adını alırken koyu ovalara "maria "(Latince "deniz", tekili "mare") adı verilir; her iki ismi de 17. yüzyılda Johannes Kepler kullanmaya başlamıştır. Denizler bazaltlıyken yaylaların bileşimi anortositiktir. Denizler sık sık, "ovalar"a denk gelirken ovaların daima denizler kapsamında olmadığına dikkat etmek önemlidir (mesela Güney Kutbu-Aitken Havzası'ndaki gibi). Yaylalar denizlerden daha eski olup dolayısıyla daha aşırı derecede kraterlidirler.

Ay'da volkanik süreçlerin başlıca ürünleri Ay denizleri şeklinde Dünya'ya bağlı gözlemcilerce bilinmektedir. Bunlar yakın tarafın neredeyse üçte birini kapsayan düşük albedolu yüzeylere karşılık gelen büyük bazalt lavı akışlarıdır. Uzak tarafın sadece yüzde birkaçı "mare "volkanizmasından etkilendi. "Apollo "misyonları bunu doğrulamadan önce bile çoğu bilim insanları, lav akışı izleri ve lav tüpleri olarak atfedilen çöküntülerden dolayı denizlerin lav dolu ovalar olduğunu düşünmekteydi.

Mare bazaltlarının yaşları hem doğrudan radyometrik tarihleme ile, hem de krater sayma tekniği ile belirlenmiştir. Krater sayım ile belirlenen genç yaş yaklaşık 1 Gy (1 Gy = 1 milyar yıl) iken en eski radyometrik yaş, yaklaşık 4,2 Gy'dır. Hacimsel olarak çoğu denizler, şimdiden yaklaşık 3 ilâ 3,5 Gy önce oluşmuştur. En eski lavalardan bazıları Ay'ın uzak tarafındaymış gibi görünürken en genç lavlar, Oceanus Procellarum içinde ortaya çıktı. Denizler, etraflarını çevreleyen yaylalara göre daha düşük yoğunlukta çarpma kraterleri olduğundan bariz şekilde daha gençtirler.

Mariaların büyük bir kısmı, ya Ay'ın yakın yüzünde alçakta bulunan çarpma havzalarında patlayarak ortaya çıktı, ya da bunların içlerine aktı. Buna rağmen çarpma olayıyla mare volkanizması arasında nedensel bir ilişki olma ihtimali, mare ovalarının içindeki malzemeden çok daha eski (yaklaşık 500 milyon yıl kadar) olduğundan muhtemel değildir. Bunun dışında Ay üzerinde mare volkanizmasının en geniş alanı ol