Розрідженість атмосфери призводить до високого перепаду температур на поверхні Місяця (від −173 °C уночі до +127 °C у соняшниковій точці), Залежно від освітленості; при цьому температура порід, що залягають на глибині 1 м, постійна та дорівнює -35 °C.
«Температура у надрах Місяця, ймовірно, нижче, ніж у Землі, тому що Місяць менший — отже, його внутрішній тиск також менший», — пояснив планетолог НАСА Рене Веббер.
Оскільки атмосфера Місяця вкрай розріджена, то основний вплив на температуру поверхні має ступінь її освітленості. Вдень атмосфера, розсіюючи сонячні промені, не допускає сильного прогрівання, а у нічний час зберігає тепло, захищаючи від переохолодження.
Через відсутність атмосфери температура на Місяцю сильно вагається: місячним днем супутник нагрівається до 127 градусів Цельсія, а місячної ночі остигає до мінус 173. При цьому зміна дня і ночі відбувається приблизно раз на місяць – кожні 354 години (14 земних діб та 18 годин).