dreapta|miniatura|Modulul lunar Intrepid al misiunii Apollo 12 se pregătește să coboare pe suprafața Lunii. Foto NASA. Explorarea fizică a Lunii a început atunci când Luna 2, o sondă spațială lansată de Uniunea Sovietica, s-a prăbușit pe suprafața Lunii pe 14 septembrie 1959. Până atunci singurul mijloc disponibil de explorare a Lunii a fost observația de pe Pământ.
Inventarea telescopului optic a reprezentat primul salt în creșterea calității observațiilor lunare. Galileo Galilei este creditat, în general, ca fiind prima persoană care a folosit un telescop în scopuri astronomice; după ce și-a confecționat propriul său telescop în anul 1609, a reușit să observe cu el munții și craterele de pe suprafața Lunii.
Programul Apollo al NASA a fost prima, și până în prezent singura, misiune spațială în care oamenii au ajuns pe suprafața Lunii. Prima aselenizare a avut loc în 1969, când astronauții au amplasat instrumente științifice pe Lună și au adus probe de sol selenar pe Pământ.
Istoria veche miniatura|Un studiu al Lunii în Micrographia lui Robert Hooke, 1665 Filozoful din Grecia Antică Anaxagora (d. 428 î.Hr.) a presupus că Soarele și Luna erau roci sferice uriașe și că acesta din urmă reflectă lumina primită de la Soare. Opiniile sale nereligioase cu privire la cer au determinat întemnițarea și apoi exilarea lui. În broșura Despre chipul care apare în cercul Lunii, Plutarh a sugerat că Luna are cratere adânci în care lumina Soarelui nu ajunge și că petele nu sunt altceva decât umbre ale unor râuri sau prăpăstii adânci. De asemenea, el a afirmat că Luna ar putea să fie locuită. Aristarh a mers un pas mai departe și a calculat distanța de la Pământ la Lună, împreună cu dimensiunea sa, obținând o valoare a distanței de aproximativ 20 de ori raza Pământului (valoarea reală este 60; raza Pământului era cunoscută aproximativ din calculele lui Eratostene).
Deși chinezii din timpul dinastiei Han (202 î.Hr.–202 AD) credeau că Luna reprezintă o sursă de energie asimilată qi, teoria „influenței radiante” recunoștea că lumina Lunii era doar o reflecție a luminii Soarelui (menționată de Anaxagora mai sus). Această teorie a fost susținută de gânditori ca Jing Fang, care a remarcat sfericitatea Lunii. Shen Kuo (1031-1095) din timpul dinastiei Song (960-1279) a creat o alegorie în care a asemănat creșterea și descreșterea Lunii cu o minge rotundă de argint reflectorizant că, atunci când este stropită cu o pulbere albă și este privită din lateral, pare a fi o semilună.
Prin anul 499 AD astronomul indian Aryabhata a menționat în Aryabhatiya că lumina reflectată a soarelui este cauza strălucirii Lunii.Hayashi (2008), Aryabhata I stanga|miniatura|246x246px|Cel mai vechi dagherotip păstrat al Lunii, realizat de John W. Draper (1840) stanga|miniatura|241x241px|Fotografie a Lunii realizată de Lewis Rutherfurd în 1865 Habash al-Hasib al-Marwazi, un astronom persan, a efectuat diverse observații la observatorul Al-Shammisiyyah din Bagdad între anii 825 și 835 AD. Utilizând aceste observații, el a estimat diametrul Lunii ca fiind de 3.037 km (echivalentul unei raze de 1.519 km) și distanța de la Pământ la Lună de 346.345 km, care se apropie de valorile acceptate în prezent. În secolul al XI-lea, fizicianul islamic Alhazen a cercetat lumina lunii, dovedind prin experimente că provine de la lumina soarelui și a concluzionat în mod corect că „emite lumină de pe acele porțiuni ale suprafeței sale, care primesc lumina soarelui”.
Prin Evul Mediu, înainte de inventarea telescopului, un număr tot mai mare de oameni au început să susțină că Luna era o sferă, deși mulți credeau că ea era „perfect netedă”. În 1609 Galileo Galilei a realizat unul dintre primele desene telescopice ale Lunii în cartea Sidereus Nuncius și a precizat că aceasta nu era netedă, ci că avea munți și cratere. Mai târziu, în secolul al XVII-lea, Giovanni Battista Riccioli și Francesco Maria Grimaldi au desenat o hartă a Lunii și au dat multor cratere numele pe care le poartă astăzi. Pe hărți, părțile întunecate de pe suprafața Lunii au fost numite maria (la singular mare) sau mări, iar părțile luminate au fost numite terrae sau continente.
Thomas Harriot, la fel ca Galilei, a desenat prima reprezentare telescopică a Lunii și a observat-o timp de mai mulți ani. Desenele lui, cu toate acestea, au rămas nepublicate. Prima hartă a Lunii a fost realizată de către cosmograful și astronomul belgian Michael Florent van Langren în 1645. Doi ani mai târziu, o lucrare mai importantă a fost publicată de Johannes Hevelius. În 1647 Hevelius a publicat Selenographia, primul tratat dedicat în întregime Lunii. Nomenclatura lui Hevelius, deși folosită în țările protestante până în secolul al XVIII-lea, a fost înlocuită de sistemul publicat în 1651 de astronomul iezuit Giovanni Battista Riccioli, care a dat petelor mari văzute cu ochiul liber numele de mări și petelor telescopice (numite acum cratere) numele unor filosofi și astronomi. În 1753 astronomul și călugărul iezuit croat Roger Joseph Boscovich a descoperit absența atmosferei de pe Lună. În 1824 Franz von Gruithuisen a explicat formarea craterelor ca rezultat al impactului unor meteoriți.
Posibilitatea ca Luna să conțină vegetație și să fie locuită de seleniți a fost analizată serios de către principalii astronomi chiar în primele decenii ale secolului al XIX-lea. Wilhelm Beer și Johann Heinrich Mädler au publicat lucrarea în patru volume Mappa Selenographica în perioada 1834-1836 și cartea Der Mond în 1837, care au stabilit ferm concluzia că Luna nu conține întinderi de apă și nici o atmosferă considerabilă.
Cursa spațială Cursa spațială și cursa către Lună inspirate de Războiul Rece între Uniunea Sovietică și Statele Unite ale Americii au fost accelerate, cu un accent pus pe explorarea Lunii. Aceasta a inclus multe premiere importante din punct de vedere științific, cum ar fi primele fotografii ale feței ascunse a Lunii realizate în 1959 de Uniunea Sovietică, și a culminat cu coborârea primilor oameni pe Lună în 1969, considerată de întreaga lume ca fiind unul dintre evenimentele majore ale secolului al XX-lea și, în general, a istoriei omenirii. stanga|miniatura|Prima imagine captată a unei alte părți a spațiului arătând fața ascunsă a Lunii. dreapta|miniatura|201x201px|Astronautul Harrison Schmitt din cadrul Misiunii Apollo 17 stând în picioare lângă un bolovan din valea Taurus-Littrow în cea de-a treia EVA (activitate extravehiculară). Foto NASA.
Primul obiect făcut de om pentru a ajunge pe Lună a fost sonda sovietică fără pilot Luna 2, care a reușit o aselenizare dură pe 14 septembrie 1959, la ora 21:02:24 Z. Fața ascunsă a Lunii a fost fotografiată pentru prima oară pe 7 octombrie 1959, de către sonda sovietică Luna 3. Deși neclare după standardele de azi, fotografiile au arătat că fața ascunsă a Lunii este aproape complet lipsită de mări lunare. Într-un efort de a concura cu aceste succese sovietice, președintele american John F. Kennedy a propus aselenizarea omului ca obiectiv național al SUA. Vorbind într-o ședință comună a Congresului din 25 mai 1961, a spus:„În primul rând, cred că această națiune ar trebui să se angajeze să-și atingă țelul, înainte de sfârșitul acestui deceniu, de a trimite un om pe Lună și de a-l aduce înapoi în siguranță pe pământ. Nici un proiect spațial din această perioadă nu va fi mai impresionant pentru omenire sau mai important pentru explorarea în perspectivă a spațiului.”Special Message to the Congress on Urgent National Needs Page 4 - John F. Kennedy Presidential Library & Museum Sovieticii au rămas ceva timp, cu toate acestea, la conducerea cursei spațiale. Luna 9 a fost prima sondă care a aselenizat lin pe Lună și a transmis imagini de pe suprafața lunii pe 3 februarie 1966. S-a dovedit că sonda de aselenizare nu s-a scufundat într-un strat gros de praf așa cum exista temerea. Primul satelit artificial al Lunii a fost sonda sovietică Luna 10, lansată în 31 martie 1966.
Pe 24 decembrie 1968, echipajul misiunii Apollo 8, format din Frank Borman, James Lovell și William Anders, au devenit primii oameni care au intrat pe orbita Lunii și au văzut personal fața ascunsă a Lunii. Primii oameni au aselenizat pe 20 iulie 1969. Primul om care a pășit pe lună a fost Neil Armstrong, comandantul misiunii americane Apollo 11. Primul autovehicul lunar robot care a aselenizat a fost nava sovietică Lunohod 1 pe 17 noiembrie 1970, în cadrul programului Lunohod. Până în prezent, ultimul om care a pășit pe Lună a fost Eugene Cernan, care în decembrie 1972 a ajuns acolo în cadrul misiunii Apollo 17. Vezi și: listă de astronauți ai programului Apollo.
Eșantioane de roci lunare au fost aduse pe Pământ de trei misiuni Luna (Luna 16, 20 și 24) și de misiunile Apollo de la 11 până la 17 (cu excepția misiunii Apollo 13, a cărei încercare de aselenizare a eșuat).
De la mijlocul anilor 1960 până la mijlocul anilor 1970 au avut loc 65 de aselenizări (10 au fost doar în 1971), dar după misiunea Luna 24 din 1976 s-au oprit brusc. Uniunea Sovietică a început să-și concentreze eforturile către Venus și stațiile spațiale, în timp ce SUA către Marte și dincolo de Marte, precum și către programele Skylab și Space Shuttle.
Înainte de începerea cursei lunare SUA a dezvoltat preproiecte pentru amplasarea unor baze științifice și militare pe Lună: proiectul Lunex și proiectul Horizon. În afară de aselenizarea cu echipaj, programele lunare sovietice au inclus construirea unei baze multifuncționale Zvezda, primul proiect detaliat, completat cu machete de vehicule de expediție și de module de suprafață.
Explorări recente dreapta|miniatura|Sonda spațială Cassini–Huygens a luat această imagine în timpul zborului său lunar, înainte de a se deplasa către Saturn În 1990, Japonia a vizitat Luna cu nava spațială Hiten, devenind a treia țară care a plasat un obiect pe orbita Lunii. Nava a lansat sonda Hagoromo pe orbita Lunii, dar transmițătorul s-a defectat, prevenind astfel transmiterea de date științifice suplimentare care să fie utilizate de navele spațiale. În septembrie 2007 Japonia a lansat nava spațială SELENE, cu obiectivul de „a obține date științifice cu privire la originea și evoluția Lunii și de a dezvolta tehnologia pentru o viitoare explorare lunară”, potrivit sitului oficial al JAXA.
Agenția Spațială Europeană a lansat o mică sondă orbitală numită SMART 1 pe 27 septembrie 2003. Scopul principal al lui SMART 1 a fost de a capta imagini tridimensionale cu raze X și în infraroșu de pe suprafața Lunii. SMART 1 a intrat pe orbita lunară pe data de 15 noiembrie 2004 și a continuat să facă observații până în 3 septembrie 2006, când a fost prăbușită în mod intenționat pe suprafața Lunii, cu scopul de a studia impactul.
China a inițiat Programul Chinezesc de Explorare Lunară pentru explorarea Lunii și examinarea unor viitoare prospecțiuni miniere, fiind căutat în mod special izotopul de heliu-3 care să fie folosit ca o sursă de energie pe Pământ. China a lansat sonda spațială orbitală Chang'e 1 pe 24 octombrie 2007. Planificată inițial pentru o misiune de un an, Chang'e 1 a avut o misiune de succes, care a fost prelungită pentru încă patru luni. Pe 1 martie 2009 Chang'e 1 a fost prăbușit în mod intenționat pe suprafata lunii după 16 luni de misiune. Pe 1 octombrie 2010 China a lansat sonda spațială orbitală Chang'e 2. China a debarcat vehiculul rover Chang'e 3 pe Lună pe 14 decembrie 2013 și a devenit a treia țară care a realizat acest lucru. Chang'e 3 este prima navă spațială care a aselenizat lin pe suprafața lunară de la Luna 24 în 1976.