Yer'den ortalama uzaklığı 384500 km olan uydumuz Ay'ın çapı 3476 km ve kütlesi 7.35x1022 kg'dır. Ay çok eski tarihlerden beri gökyüzünün ikinci en parlak cismi olması nedeniyle iyi gözlenen bir cisim olmuştur. Bir aylık bir sürede Ay'ın Yer etrafında dolanması sonucu, Yer-Ay-Güneş arasındaki açıların değişmesi nedeniyle dönemli evrelerin görüldüğü bilinmektedir. Ard arda aynı iki evreye gelebilmesi için 29.5 gün (709 saat) geçmesi gerekmektedir.
Boyut ve bileşimine bakıldığında Ay'ımız zaman zaman karasal gezegenler sınıfında incelenir.
İlk kez Sovyetler Birliği tarafından Luna-2 uydusu ile 1959 yılında Ay yüzeyine inilmiştir. İnsanlık tarafından ziyaret edilen tek karasal cisim olma özelliğini taşımaktadır. İlk ayak basma 20 Temmuz 1969 tarihinde ve en son ayak basma ise Ekim 1972 tarihinde gerçekleşmiştir. Ayrıca uydumuz, uzaydan parça getirilerek yeryüzünde incelenen ilk gökcismi olma özelliğini taşımaktadır.
Ay ile Dünya'nın birbirlerini çekimsel olarak etkilemeleri nedeniyle yeryüzünde bazı ilginç olaylar meydana gelmektedir. Bunlardan birisi gel-git olayı olarak bilinmektedir ve bu olay Dünya'nın bir yüzünün Ay'a daha yakın ve diğer yüzünün Ay'dan daha uzakta olması nedeniyle çekimsel olarak farklı etkilenmesinden kaynaklanmaktadır. Yeryüzünün tamamen katı olmaması nedeniyle, Ay'ın bulunduğu konuma doğru şişkinleşmektedir. Yeryüzü açısından bakıldığında Dünya'nın hem Ay'a bakan yüzünde hem de tam aksi yönde iki küçük şişkinlik meydana gelir. Bu olayın okyanuslara denk gelmesi durumunda bu şişkinlikler karasal bölgelere göre daha fazla olmaktadır. Ayrıca Dünya'nın kendi ekseni etrafında Ay'ın yörüngede dolanma hızından daha hızlı dönmesi nedeniyle bu şişkinlikler günde iki defa gel-git olayı şeklinde meydana gelmektedir.
Dünya'nın tamamen sıvı olmaması nedeniyle günde iki kez yeryüzünü dolaşan bu gel-git olayı nedeniyle Dünya'nın dönmesi yavaşlama eğilimindedir. Gerçekten de yüzyılda yaklaşık dönmede 2 milisaniye kadar bir yavaşlama meydana gelmektedir. Dünya'nın dönmesinin yavaşlaması açısal momentumun korunumu gereğince Ay'ın bizden biraz daha uzaklaşmasını gerektirmektedir. Bu durumda Ay bizden yılda yaklaşık 3.8 cm uzaklaşmaktadır.
Çekimsel kuvvetlerin asimetrik etkileri nedeniyle gelecekte başka değişimlerin de olması beklenmektedir. Ay'ın kendi ekseni etrafındaki dolanım süresi ile Dünya'nın etrafındaki dolanım süresinin birbirine eşit olduğunu biliyoruz (senkronizasyon). Eğer Ay bizden uzaklaşmaya devam ederse yörüngedeki dolanma dönemi değişeceğinden bu senkronizasyon da değişecektir. Yerin kendi ekseni etrafındaki dönmesinin yavaşlaması, Ay'ın daha uzak bir yörüngede dolanması ve dolayısıyla dolanma süresinin uzaması, çekimsel güçlerin bu iki gökcismi için senkronize olma yönünde işlemesi nedeniyle bir zaman sonra senkronizasyon öyle sağlanacaktır ki artık gel-git olayı ile meydana gelen şişkinlikler hep Ay yönünde kalacaktır. Bu tür olaylar Pluto ve Charon ikilisinde şu anda mevcut olan bir olaydır.
Ay'ın bize hep aynı yüzünü göstermesi nedeniyle Ay'ın arka yüzü uzun yıllar bir sır olarak kalmıştır. Gerçi Ay yörüngesinin tamamen dairesel olmaması nedeniyle toplam görülebilen yüzey miktarı biraz daha fazladır ama arka tarafta kalan yüzeyin büyük kısmı görülemez durumdadır. Ay yüzeyinin %41'ini her zaman, %41'ini hiç göremeyiz. %18'i ise bazen görülebilmektedir. İlk defa Sovyet yapımı Luna-3 uydusu 1959 yılında Ay'ın arka yüzeyinin görüntülerini almıştır. Ay'ın karanlık yüzü ifadesi zaman zaman oranın hiç ışık almadığını düşündürtmektedir, fakat bu terim bizim göremediğimiz yüzü veya bilemediğimiz yüzü anlamında kullanılmalıdır. Yoksa Ay'ın o yüzü de Güneş'ten ışık almaktadır.
Ay'ın atmosferi yoktur fakat yüzeyin yapısı nedeniyle kutuplarında bulunan krater derinliklerinde su buzu bulabilir. "Lunar Prospector" uydusu artık Ay'ın güney kutbunda buz yapılarının bulunduğunu ispatlamıştır.
Ay kabuğunun 68 km ile 107 km arasında değişen kalınlıklarda olduğu düşünülmektedir. Kabuğun altında ise manto tabakası ve küçük bir çekirdek (kabaca 340 km yarıçapında ve toplam kütlenin %2'si boyutlarındadır) bulunmaktadır. Ay çekirdeğinin kısmen eriyik durumda olduğu düşünülmektedir. Çekirdeğinin geometrik merkezi ile kütle merkezi arasında 2 km'lik bir fark bulunmaktadır. Bu da Dünya'ya doğru kaymış şekildedir. Ayrıca Dünya'ya bakan yüzeyindeki kabuğun kalınlığı daha incedir.
Ay'da temel olarak iki baskın yüzey şekli bulunmaktadır. Bunlar çok fazla kraterleşmiş ve yaşlı olan "yükseltiler" (highlands) ve göreli olarak daha düzlükten oluşan ve genç "deniz" (maria) yapılarıdır. Denizler, yüzeyin yaklaşık %16'sını oluşturmaktadır ve büyük boyutlu çarpışmalar sonucu oluşan kraterlerdir. Sonradan eriyerek doldurulan bölgelerden oluşmaktadır. Yüzeyin büyük bir kısmı meteor çarpmaları sonucu ortaya çıkan ve "regolith" adı verilen toz ve kayamsı parçacıklardan oluşmaktadır. Nedeni bilinmemesine rağmen deniz yapıları Dünya'ya bakan yüzde daha fazladır.
Dünya'ya bakan yüzeyde bulunan kraterlerin büyük kısmı eski bilim adamlarının adları ile anılmaktadır (Tycho, Copernicus ve Ptolemaeus gibi). Arka yüzdeki yapılara ise daha modern örneğin "Apollo", "Gagarin" ve "Korolev" gibi isimler verilmiştir. Ayrıca Ay yüzeyinde güney kutup bölgesinde "Aitken" adı ile bilinen ve çapı 2250 km ve derinliği 12 km olan güneş sisteminin en büyük çarpışma krateri bulunmaktadır. Bir diğeri ise "Oriantale" olarak bilinmektedir.
Ay'dan toplam 382 kg ağırlığında kaya örnekleri Apollo ve Luna programları ile Dünya'ya getirilmiştir ve bu örneklerin incelenmesi sonucunda Ay hakkında daha fazla bilgiye ulaşmamız sağlanmıştır. Günümüzde bile bu örneklerin incelenmesine devam edilmektedir.
Ay yüzeyinde bulunan kayaların büyük bir kısmının yaşı 4.6 ile 3 milyar yıl arasında oldukları belirlenmiştir. Uydumuz Ay geçmişe ait izleri hale üzerinde taşıdığı için bilim adamları için önemlidir. Ay'ın genel olarak manyetik alanı yoktur fakat yüzeydeki bazı kayalarda geçmişten kalan manyetik alan izlerine rastlanmıştır. Buda geçmişte Ay'ın bir manyetik alana sahip olduğuna delil olabilir.
1. Parçalanma Kuramı: Yer, genç ve kendi ekseni etrafında hızla dönem bir gezegen iken merkezkaç kuvveti ile kopan maddeden Ay oluşmuştur. Pasifik okyanusunun bulunduğu bölge Ay'ın koptuğu bölgedir. Son zamanlarda bu teorinin değişik şekli önerilmiştir. Ay, genç ve hızla dönen Yer kürenin ekvatorundan çıkan gazlardan meydana gelmiştir (hızla dönen bisiklet tekerleğinden fırlayan çamur gibi).
2. Çarpma Kuramı: Ay'ı oluşturan materyal, büyük bir gökcisminin Yer'e çarpması sonucu yerden fırlatılmıştır.
3. Çift Gezegen Kuramı: Bu yıldızların ve gezegenlerin gaz bulutlarının yoğunlaşması sonucu oluştuğu düşüncesine dayanır. Ay ve Yer, Güneş bulutsusundaki iki komşu gaz halkasından çift gezegen olarak beraberce oluşmuştur.
4. Yakalanma Kuramı: Ay, Yer'den bağımsız olarak Güneş sisteminin başka bir yöresinde küçük gezegen olarak meydana gelmiştir. Yörüngesinde dolanırken Yer yakınında olduğu sırada çekim kuvveti ile yakalanmıştır.