Měsíc se ve svém nitru skládá z jádra, pláště a měsíční kůry.
Měsíční jádro je velmi malé. Jeho průměr je odhadován na 350-700 km. Předpokládá se, že obsahuje zvýšený podíl železa. Je umístěno excentricky, jeho stře se nachází asi 2 km od středu Měsíce směrem k Zemi.
Plášť tvoří téměř 90% objemu Měsíce a sahá do hloubky až 1670 km. Je tvořen především horninami s pyroxenem a olivínem (vyskytují se i místní koncentrace ilmenitu). Z hlediska mineralogie a petrologie je možné charakterizovat prostředí měsíčního pláště jako redukční a bezvodé, protože v krystalických strukturách nefigurují molekuly vody, jako je tomu u většiny pozemských hornin a minerálů. Některá měření naznačují, že horniny v hlubokém plášti jsou v plastickém stavu.
Měsíční kůra dosahuje mocnosti kolem 60 km. V měsíční kůře (ve větších hloubkách) najdeme bazalty staré přibližně 3,9-3,0 miliard let. Při mapování tíhového pole Měsíce byly odhaleny místní tíhové anomálie, tzv. mascony, které se nacházejí především pod velkými kruhovými moři. Jedná se o intruze (vniknutí) hustších hmot do kůry. Při dopadech velkých těles došlo k rozmetání lehčího materiálu kůry do okolí a na její místo se dostal hustší materiál z pláště. Díky velmi intenzivnímu a dlouhodobému kosmickému bombardování je měsíční kůra silně porušena do hloubek 10-20 km. Předpokládá se, že je rozpraskaná i ve větších hloubkách.
