Comme on pouvait s’y attendre, le sol lunaire (ou régolithe) est complètement sec et sans air. Avant que les astronautes et les sondes ne visitent la Lune, certains scientifiques pensaient que des parties de la surface pourraient être recouvertes d’une fine couche de poussière jusqu’à un mile de profondeur, mais cela s’est avéré faux. Le sol lunaire n’a que quelques centimètres de profondeur. Il est recouvert d’une couche de poussière extrêmement fine qui est chargée électriquement. Cette poussière pénètre partout et peut être très irritante pour la peau humaine.
La composition du sol lunaire est principalement constituée d’oxygène, tout comme la croûte terrestre. Tout comme la croûte terrestre, la substance la plus courante est le dioxyde de silicium, également connu sous le nom de silice, le composant principal du sable, du verre et du béton. Répartis par élément, environ 43 % du sol lunaire est composé d’oxygène, 21 % de silicium, 13 % de fer, 8 % de calcium, 6 % d’aluminium, 5 % de magnésium et 4 % d’autres éléments. D’autres composés trouvés dans le sol lunaire comprennent le dioxyde de titane, l’oxyde d’aluminium (alumine, une substance grise qui donne à la Lune une grande partie de sa couleur), l’oxyde de fer (rouille), l’oxyde de magnésium et l’oxyde de calcium (chaux).
La composition du sol lunaire varie considérablement selon que l’on considère les hautes terres lunaires (qui apparaissent plus claires) ou les maria (les mers) lunaires, qui sont sombres. Les hautes terres lunaires sont principalement des roches anorthositiques, caractérisées par un mélange de 90% de feldspath plagioclase (une classe de minéraux silicatés) avec un composant métallique à 10% comme le fer ou le magnésium. Le composant feldspath est composé de calcium, d’aluminium, de silicium et d’oxygène. Ces roches sont réfléchissantes et créent le clair de lune lorsqu’elles renvoient la lumière du soleil vers la Terre la nuit.
La mer lunaire, la partie la plus sombre de la Lune, est constituée de minéraux basaltiques provenant d’anciennes éruptions volcaniques survenues il y a entre 3.5 et 3 milliards d’années. Ces minéraux ont coulé dans des bassins proches (la face cachée de la Lune n’a pratiquement pas de maria) et se sont refroidis. Par rapport aux basaltes terrestres, ils ont une viscosité plus élevée et une teneur en fer plus élevée. En général, les basaltes sont relativement riches en oxydes de magnésium et de calcium et ont des niveaux plus faibles de dioxyde de silicium.
Au total, environ 900 livres (400 kg) de roche lunaire ont été ramenées de la Lune pour que les scientifiques en analysent, environ une livre des missions soviétiques Luna, environ 100 livres d’astéroïdes projetés de la surface de la Lune qui sont tombés en Antarctique ou dans les déserts terrestres où ils ont pu être récupérés, et le reste des missions Apollo dans les années 60 et 70.