月球在绕地球公转的同时，还不停的围绕自己的轴旋转，这是不以其他天体的存在为条件的自身旋转运动，故称之为自转。

　　月球自转的方向是自西向东，自转一周（360°）和它公转一周（360°）所用的时间相等。月球的自转方向与其公转方向相同，自转周期与其公转周期相等，这样的自转运动称为同步自转。

　　在地球上观察月面时，会发现这样的情况：无论月球公转到哪个位置，所看到的月表同一部位面貌总是一样的。例如，农历每月初七、八和每月十五、十六日，在地球上拍摄的月面西半部分图象特征是一样的。这表明，月球在绕地球公转过程中，朝向地球的总是其固定的半个球面。就是说，在地球上所能看到的总是月球的同一个半球面。这一事实有力地证明月球在进行同步自转。

　　用图1-8可以说明月球的同步自转运动。设A为月面上的一个固定点，月球在1的位置时，它正对着地球。月球绕地球公转到位置2时，A仍然正对着地球。但是，从1到2，A点已经向东转动了90°，即月球公转90°也自转90°。随着月球在公转轨道上位置的不断变化，A一直都对着地球，而它绕月心的旋转也一直在进行。月球运行到位置3时，A已围绕月心旋转了180°。当月球公转一周再回到位置1时，A点也围绕着月心旋转了360°。由于月球不断地进行和公转同步的自转，使A在月球绕地球公转过程中，始终正对着地球。

　　和地球相比月球自转非常缓慢，一个恒星月（即大约27.32166日）才旋转一周。所以在月球上，昼夜的更替也是非常缓慢的。在一个恒星月内，月球上的昼和夜各更替一次，昼和夜的长度各为半个恒星月。这样，月球上的一天也就是地球上的一个恒星月了。

　　月球上特别长的昼和夜，使白天的增温过程和夜间的降温过程，都连续经历很长时间，因而使热量的积累和散失都非常充分。这是月球表面白天温度特别高，夜间温度又特别低，昼夜温差非常大（可达310℃）的重要原因之一。

　　月球自转围绕的轴，叫做自转轴。月球的自转轴与其公转轨道面成83°21′的夹角。这样，在地球上看月球，随着它在公转轨道上的位置变化，有时看到月球的北极部分多一些；有时看到月球的南极部分多一些。这样，在月球绕地球公转一周的过程中，人们在地球上所看到的并非是一成不变的半个月球面。

　　此外，月球绕地球公转的速度在不断变化着，近地点运行快一些，远地点时运行慢一些。而月转自转的速度是均匀的。这样，在地球上观察月球，有时（公转慢时）看到月面西边多一些，东边少一些；有时（公转快时）看到月面东边部分多一些，西边部分少一些。从空上方面来讲，在地球上能看到的月球，也不是一成不变的半个月球面。

　　上面两种情况表明，人们在地球上看到的月面，并不是完全没有变化的固定的半个月球面。在月球自转轴倾斜于公转轨道面、公转速度发生周期性变化等因素影响下，地球上看到的月面，在东与西、南与北方向上，都略有相应的周期性的增、减变化。这样，在地球上不同时间可能看到的月面，就不是其总面积的一半，而是59％。所以，实际上在地球上总也看不到的月面，只占其总面积的41％。从这一点上来看，“月球总是以它固定的一面向着地球”，或“在地球上只能看到月球的同一个半球面”的说法，严格来讲是不够确切的。

　　在能够看到的59％月面中，并不是全部总能被看到。其实，在地球上一直都能看到的月面也只占其总面积的41％，而其余能够看到的月面（约占月球总面积18％）。并非同时都能看到，同一时刻只能看到其中的一部分。这就是说，18％的月面部分有时可见，有时又不可见，是不断变化的。

　　由于上述情况的存在，在地球上会看到月球圆面中心，随着月球公转在月面上进行周期性的摆动，这种现象就像天平在达到平衡之前的摆动一样，因而称为天平动。月球在南北方向和东西方向上的这种天平动，实际上都不是月球自身的真正摆动，而是由于其赤道面与轨道面夹角的存在，以及月球公转与自转角速度差值变化所产生的光学现象，即光学天平动，也称为视天平动。