月球表面基本上沒有大氣，表面氣壓僅為10至14大氣壓量級。
對月球的實測表明，月球表面大氣層太稀薄，而且大氣成份比較複雜，隨時空多變。在黑夜時的大氣主要由40%的氬、40%的氖和20%的氦組成，到日出時還會加入極少量的甲烷和氨等，有些地區的大氣中還會發現極微量的氫、氡、鈉、釙和鉀原子等。
月球土壤中含有大量的氣體狀的“氦-3”，這是一種比目前地球上核電站所用的氘原料的放射性要低得多的核材料。“氦-3”原本大量存在於太陽噴射出來的高能粒子流即太陽風中。在幾乎沒有大氣的月球上，太陽風直接降落下來，久而久之，在月面的沙粒、巖石中，就大約集聚有了多於100萬噸的“氦-3”。
