İç yapı
Ay, kabuk, manto ve çekirdek gibi jeokimyasal olarak ayrımlanabilen katmanlardan oluşur. Bu yapının yaklaşık 4,5 milyar yıl önce, Ay'ın oluşumundan hemen sonra magma okyanusunun kademeli olarak kristalleşmesiyle meydana geldiğine inanılmaktadır. Ay'ın dış yüzeyini eritmek için gerekli olan enerjinin Dünya ve Ay sistemini oluşturduğu öne sürülen dev çarpma ile elde edildiği düşünülmektedir. Bu magma okyanusunun kristalleşmesi sonucu mafik manto ve plajiyoklâz zengini kabuk ortaya çıkmış olabilir.
Yörüngeden yapılan jeokimyasal haritalama aykabuğunun magma okyanusu varsayımı ile uyumlu bir şekilde oldukça anortositik bir yapıda olduğunu gösterir. Aykabuğu başlıca oksijen, silikon, magnezyum, demir, kalsiyum, ve aluminyum elementlerinden oluşmuştur. Jeofiziksel tekniklere dayanılarak aykabuğunun kalınlığının ortalama 50 km. civarında olduğu tahmin edilmektedir.
Ay'ın mantosunda oluşan kısmi erime ay denizlerinde bulunan bazaltların yüzeye
püskürmesine neden oldu. Bu bazaltların analizi mantonun olivin, ortopiroksen ve klinopiroksen minerallerinden oluştuğunu ve ay mantosunun dünya mantosundan demir açısından daha zengin olduğunu gösterir. Bazı ay bazaltlarında ilmenit minerali içinde karşılaşılan yüksek oranda titanyum içeriği mantonun bileşiminin oldukça yüksek oranda heterojen olduğunu gösterir. Ay yüzeyinden yaklaşık 1.000 km derinde, mantoda ay sarsıntıları olduğu bulunmuştur. Aylık periyotlarla oluşan bu sarsıntılar Ay'ın Dünya çevresinde dış merkezli yörüngede dönmesi nedeniyle oluşan gelgit streslerine bağlanmıştır.
Ay 3.346,4 kg/m³'lik ortalama yoğunluğuyla, Güneş Sistemi'nin İo'dan sonra ikinci yoğun doğal uydusudur. Ancak bazı kanıtlar Ay çekirdeğinin yaklaşık 350 km.'lik yarıçapıyla oldukça küçük olduğuna işaret eder. Bu büyüklük Ay'ın yalnızca %20'sine denk gelir, halbuki birçok gökcisminde çekirdeğin oranı %50 civarındadır. Ay çekirdeğinin bileşimi tam olarak saptanamamıştır, ama az bir miktarda kükürt ve nikel alaşımlı ****lik demirden oluştuğu sanılmaktadır. Ay'ın zamanla değişkenlik gösteren dönüşünün analizi çekirdeğin en azından kısmen erimiş olduğunu gösterir.
Topoğrafya
Ay'ın topoğrafyası özellikle yakın zamanda yapılan Clementine görevinin sağladığı, lazer altimetri ve stereo görüntü analizi yöntemleriyle elde edilen data sayesinde ölçülmüştür. En çok görünen topografik özellik öteki yüzde bulunan ve Ay'ın en alçak noktalarını barındıran Güney Kutbu - Aitken düzlüğüdür. En yüksek noktalar bu düzlüğün hemen kuzeydoğusunda bulunur. Buranın Güney Kutbu - Aitken düzlüğünün oluşumuna neden olan gökcismi çarpması sonucunda yer değiştirmiş kalın katmanlar nedeniyle oluştuğu önerilmiştir. Diğer büyük kraterler Mare Imbrium, Mare Serenitatis, Mare Crisium, Mare Smythii, ve Mare Orientale 'de de oldukça alçak noktalar ve çevrelerinde yüksek noktalar bulunur. Ay şeklinin dikkat çekici bir noktası da ortalama yüksekliklerin öteki yüzde, görünen yüze göre 1,9 km daha yüksek olmasıdır.
Kütleçekim alanı
Ay'ın kütleçekim alanı, yörüngedeki uzay araçlarının yaydığı radyo dalgalarının izlenmesi sonucu belirlenmiştir. Kullanılan prensip Doppler Etkisi'ne bağlıdır. Uzay aracının bakış açısı yönündeki ivmesi radyo dalgalarının yönünü azar azar değiştirerek ve uzay aracından Dünya üzerindeki sabit bir noktaya olan uzaklığı kullanarak belirlenir. Ancak Ay'ın eşzamanlı dönmesi nedeniyle, uzay aracı öte taraftayken izlenemediğinden ötürü, öteki tarafın kütleçekimi alanı çok iyi belirlenememiştir.
Ay'ın kütleçekim alanının en önemli özelliklerinden birisi dev krater düzlükleri ile bağlantılı olan geniş pozitif kütleçekimsel anomalilerin varlığıdır.Bu anomaliler uzay araçlarının yörüngesini önemli ölçüde etkiler bu nedenle insanlı ya da insansız uçuşların planlanmasında Ay'ın doğru kütleçekimsel modeli gereklidir. Kütleçekimsel yoğunluğun olduğu bölgelerin nedeni kısmen, krater düzlüklerini dolduran yoğun bazaltı oluşturan lava akışının varlığına bağlıdır. Ancak bu lava akışları tek başına kütleçekimsel izin tamamını açıklayamaz, aykabuğu ile manto arasındaki etkileşime de gerek vardır. Lunar Prospector 'un kütleçekimsel modellemeleri bazaltik volkanların etkisi nedeniyle oluşmadığı sanılan bazı kütleçekimsel yoğunlukların varlığını gösterir. Oceanus Procellarumda devasa volkan kaynaklı bazaltlar bulunmasına rağmen kütleçekimsel anomali gözlemlenmemektedir.
Manyetik alanı
Ay'ın dış manyetik alanı bir ile yüz nanotesla arasındadır yani 30-60 mikrotesla büyüklüğündeki Dünya'nın manyetik alanından yüz kat daha küçüktür. Diğer önemli farklılıklar çekirdeğindeki jeodinamo tarafından üretilmiş bir dipolar manyetik alnı yoktur ve varolan manyetik alanların kaynağı tamamen aykabuğudur. Bir varsayıma göre aykabuğundaki manyetikleşmelerin Ay daha gençken ve çekirdeğinde bir jeodinamo bulunurken oluştuğudur. Ancak ay çekirdeğinin küçüklüğü bu varsayımın doğruluğu karşısında bir engel oluşturmaktadır. Alternatif varsayımlar arasında, Ay gibi havası olmayan gökcisimlerinde süreksiz manyetik alanlar büyük gök cisimlerinin çarpması bulunur. Bu varsayımı destekleyecek şekilde en geniş aykabuğu manyetikleşmelerinin dev kraterlerin tam karşısında Ay yüzeyinde gerçekleştiğinin farkına varılmasıdır. Böyle bir fenomenin çarpışma sonucu oluşan plazma bulutunun ortamda bir manyetik alan bulunurken serbest olarak yayılmasından kaynaklanabileceği önerilmiştir.
Atmosfer
Ay'ın atmosferi öyle incedir ki yok bile sayılabilir. Toplam atmosferik kütlesi 104 kg.'dır.radyoaktivite sonucu ortaya çıkan radon gibi gazların salınımıdır. Diğer önemli bir kaynak ise mikrogöktaşları, güneş rüzgârı iyonları, elektronlar ve günışığının bombardımanı sonucu oluşan püskürtüm süreciyle gerçekleşir. Püskürtüm yoluyla salınan gazlar ya tekrar regolit içinde hapsolur, ya da güneş radyasyon basıncı veya iyonize olmuşlarsa güneş rüzgârının manyetik alanı nedeniyle uzaya kaçar. Dünya üzerinden yapılan spektroskopik yöntemlerle sodyum (Na) ve potasyum (K) gibi elementlerin varlığı tespit edilmiştir. Radon–222 (222Rn) ve Polonyum-210 (210Po) gibi elementler ise Lunar Prospector 'un alfa parçacık spektrometresi ile tespit edilmiştir. Argon–40 (40Ar), helyum-4 (4He), oksijen (O2) ve/veya mwt@n (CH4), nitrojen (N2) ve/veya karbon monoksit (CO), ve karbon dioksit (CO2) Apollo astronotları tarafından yerleştirilen detektörler tarafından tespit edilmiştir. Atmosferinin kaynaklarından biri aykabuğunda ve mantoda oluşan
Yüzey sıcaklığı
Ay günü boyunca yüzey sıcaklığı ortalama 107 °C, ay gecesi boyunca da ortalama -153 °C civarındadır.