月球表面不能保存液态水。当暴露于太阳辐射时，水通过称为光解离的过程迅速分解并且损失到太空。然而，自20世纪60年代以来，科学家们假设水冰可能通过撞击彗星沉积，或者可能是由富氧月球岩石和太阳风中的氢气反应产生的，留下痕迹的水可能会持续存在于寒冷的永久阴影中。留下痕迹的水，这些痕迹可能会持续存在于月球任一极上的寒冷，永久阴影笼罩的陨石坑中。
计算机模拟表明，月球上表面永久阴影的地区高达14000 平方千米（5400平方米）。月球上存在可用的水量是建设一个月球居住区具有成本效益的计划的重要因素，因为从地球运水的替代方案将非常昂贵。
值得一提的是，近年来，月球表面已经发现了水的特征。在1994年，位于克莱芒蒂娜航天器上的双基地雷达实验表明，靠近地表附近存在着少量的、冻结的水域。然而，后来使用地球上的阿雷西波雷达观测表明，这些发现可能由新撞击坑中的岩石被撞击后，从岩石喷出的。1998年，月球探测器上的中子能谱仪显示，在极地附近的风化层中近一米深处存在高浓度的氢。在阿波罗15号带回地球的火山熔岩珠中，发现其内部含有少量的水。
2018年8月，月球矿物学绘图仪（M3）的分析首次揭示了月球表面存在水冰的“确凿证据”。这些数据显示了水冰的独特反射特征，而不是灰尘和其他反射物质。北极和南极都发现了冰沉积物，在南极更为丰富，那里的水被困在永久阴影下的陨石坑和裂缝中，因此它们可以像冰一样在地面上保持，因为它们不受太阳光的影响。
研究归研究，在月球上究竟有没有水目前还不能下最终定论，科学家还在设法使用新的测量方法来确认。但至少有一件事是肯定的——那就是我们对在月球表面和月球内部水的认识上还有很长的路要走。