月球内部构造在地质化学上分为地壳、地幔和核心，因此月球是经过分异的天体。这种构造相信是45亿年前形成不久之后月球岩浆海的部分结晶造成的。熔化外壳部分所需的能量通常被认为是来自月球在形成地月系统的大撞击之后残余在地球轨道上的物质。岩浆海的结晶使镁铁质上升而形成地幔和富含斜长石的地壳。

从轨道上绘制的地质化学图暗示月球地壳主要由斜长岩组成，而这与岩浆海洋的假说一致。月球地壳上的主要化学元素有氧、硅、镁、铁、钙和铝，但是重要的微量和痕量元素，像是钛、铀、钍、钾和氢也都存在。以地球物理为基础，估计月球地壳的平均厚度大约是50公里。

在月球地幔中的熔融部分引起月球表面上月海的玄武岩喷发。对这些玄武岩的分析显示，月球地幔的主要组成矿物是橄榄石、直辉石类和斜辉石类，并且比地球的含有更多的铁。有些月球玄武岩含有高丰度的钛（存在于矿物的钛铁矿）。月球表面下约1,000公里深度的地幔曾发现月震，它们每个月周期性的发生，被认为与月球轨道的离心率和潮汐力的应力有关；也发现了一些在月球表面下约100公里处的浅层月震，但这些发生的频率更低，似乎与月球的潮汐力无关。

月球的平均密度是3.3464公克/立方公分，是太阳系的卫星之中第二高（仅次于埃欧）。但是，有几项迹象意味着月球的核心很小，半径大约只有350公里，甚或更小。月球的核心只占了月球大小约20%，相较其他大多数的类地型天体几乎都占到50%。月球核心的成分仍然不明，但多数都相信其组成金属铁的合金与少量的硫和镍。分析月球自转相对于时间的变化，显示核心至少有一部分是熔融的。

根据最近使用震波叠加的新技术，重新分析阿波罗计划建立的地震阵列网搜集到的月震资料，月球内核被认为是一个含铁量丰富的固体，直径约240公里（150英里）；在内核之外还有个液态、主要成分为铁的外核，直径约330公里 （205英里），并首度与地球的地核作比较，月球有可能跟地球外核一样，有着硫和氧等较轻的化学元素。