月球自轉週期是27.32166日，正好是一個恆星月。月球公轉時，在離心力的作用下重心外偏，但在地球的引力作用下重心又向內偏。月球就在這兩種力的作用下完成繞自己的軸心自轉的。月球實際上是繞自己的軸相對地球旋轉。因此無論是用地球作參照物還是用恆星作參照物，月球都是相對地球自轉的。
月球在繞地球公轉的同時進行自轉，所以我們看不見月球背面。這種現象我們稱“同步自轉”，幾乎是衞星世界的普遍規律。一般認為是行星對衞星長期潮汐作用的結果。天平動是一個很奇妙的現象，它使得我們得以看到59%的月面。主要兩個原因：一是在橢圓軌道的不同部分，自轉速度與公轉角速度不匹配。二是白道與赤道的交角。
月球的自轉，只是站在以月心為參照系的角度去看，它本質上就是月球對地心公轉的相對運動。而且在此參照系下，地心是靜止不動的，也就沒有什麼對月公轉了。所以，所謂的月球自轉（對月心參照系），和月球公轉（對地心參照系），本質是一個運動在不同參照系的名稱。
月球，古稱太陰、玄兔、嬋娟、玉盤，是地球的衞星，也是太陽系中體積第五大的衞星。其平均半徑約為1737.10千米，相當於地球半徑的0.273倍。與地球的平均距離約38.44萬千米，大約是地球直徑的30倍。月球的表面佈滿了由小天體撞擊形成的撞擊坑。由於地球的反作用力，使月球每一年遠離地球大約3.8釐米，月球正在逐漸與地球離去。
