月球在繞地球公轉的同時進行自轉，週期27.32166日，正好是一個恆星月，所以我們看不見月球背面。這種現象我們稱“同步自轉”，或“潮汐鎖定”，幾乎是太陽系衞星世界的普遍規律。一般認為是衞星對行星長期潮汐作用的結果，這樣的結果稱為天平動，天平動一個很奇妙的現象，它使得我們得以看到59%的月面。
月球以圓形軌道繞地球運轉。這個軌道平面在天球上截得的大圓稱“白道”。白道平面不重合於天赤道，也不平行於黃道面，而且空間位置不斷變化。週期27.32日。月球軌道（白道）對地球軌道（黃道）的平均傾角為5°09′。但是已知月球平均每年以3.8cm的速度逐漸與地球離去。
月球每小時相對背景星空移動半度，即與月面的視直徑相若。與其他衞星不同，月球的軌道平面較接近黃道面，而不是在地球的赤道面附近。相對於背景星空，月球圍繞地球運行（月球公轉）一週所需時間稱為一個恆星月；而新月與下一個新月（或兩個相同月相之間）所需的時間稱為一個朔望月。朔望月較恆星月長是因為地球在月球運行期間，本身也在繞日的軌道上前進了一段距離。
因為月球的自轉週期和它的公轉週期是完全一樣的，所以地球上只能看見月球永遠用同一面向着地球。自月球形成早期，地球便一直受到一個力矩的影響導致自轉速度減慢，這個過程稱為潮汐鎖定。亦因此，部分地球自轉的角動量轉變為月球繞地公轉的角動量，其結果是月球以每年約38毫米的速度遠離地球。同時地球的自轉越來越慢，一天的長度每年變長15微秒。從地球上看月亮，看到的月球表面並不是正好它的一半，這是因為月球像天平那樣擺動。地球上的觀測者會覺得：在月球繞地球運行一週的時間裏，月球在南北方向來回擺動，即在維度的方向像天平般的擺動，這被稱為“緯天平動”，擺動的角度範圍約6°57′；月球在東西方向上，即經度方向上來回擺動的現象，被稱為“經天平動”。
