Sau khi Mặt Trời bắt đầu tỏa sáng, các hành tinh của hệ Mặt Trời bắt đầu hình thành. Nhưng phải mất thêm khoảng hàng trăm triệu năm sau thì Mặt trăng của Trái Đất mới xuất hiện và tồn tại đến ngày nay. Có ba giả thuyết chính về sự hình thành của các vệ tinh của các hành tinh: Giả thuyết vụ va chạm lớn, giả thuyết cùng hình thành và giả thuyết bắt giữ.
Giả thuyết vụ va chạm lớn
Đây là giả thuyết thịnh hành của cộng đồng khoa học. Giống như các hành tinh khác, Trái Đất được hình thành từ các đám mây bụi và khí còn sót lại đang quay xung quanh Mặt Trời trẻ mới hình thành. Hệ Mặt trời thời kì đầu là một vùng hỗn loạn, và một số lượng lớn các vật thể đã được tạo thành nhưng không bao giờ trở thành trạng thái một hành tinh đúng nghĩa. Theo giả thuyết vụ va chạm lớn, một trong số các vật thể đó đã va vào Trái đất không lâu sau khi hành tinh này hình thành.
Được gọi với cái tên Theia, một vật thể có kích cỡ sao Hoả đã va chạm với Trái đất, thổi bay các khối vật chất của vỏ hành tinh trẻ này vào không gian. Lực hấp dẫn liên kết các mảnh vật chất này lại với nhau, tạo thành một trong những Mặt trăng lớn nhất trong Hệ Mặt Trời quay xung quanh hành tinh chủ của nó. Kiểu hình thành này đã có thể giải thích tại sao Mặt trăng được tạo thành chủ yếu từ các nguyên tố nhẹ, làm nó ít đặc hơn Trái đất - vật chất hình thành nên Mặt trăng đến chủ yếu từ vỏ Trái đất khi chúng rời khỏi lõi đá của hành tinh sơ khai. Khi vật chất quy tụ xung quanh phần còn lại của lõi Theia, chúng có thể đã tập trung gần mặt phẳng hoàng đạo của Trái đất, là đường đi của Mặt Trời trên bầu trời, và cũng là nơi Mặt trăng di chuyển ngày nay.
Liệu Mặt trăng của chúng ta có nguồn gốc từ một vụ va chạm kinh hoàng giữa Trái đất và Theia?
Giả thuyết cùng hình thành
Các Mặt trăng cũng có thể cũng hình thành cùng một thời gian với các hành tinh. Theo lời giải thích như vậy, lực hấp dẫn có thể đã khiến vật chất trong Hệ Mặt trời thời kỳ đầu kết tụ lại trong cùng một khoảng thời gian khi lực hấp dẫn kéo các hạt lại với nhau để hình thành Trái đất. Một Mặt trăng như vậy có thể có thành phần cấu tạo rất giống với hành tinh, và có thể giải thích được vị trí hiện tại của mặt trăng. Tuy nhiên, mặc dù Trái đất và Mặt trăng chia sẻ cùng nhau khá nhiều vật chất, thì mật độ vật chất của Mặt trăng lại bé hơn Trái đất của chúng ta, khiến cho giả thuyết này có thể không phải là trường hợp của Mặt trăng ngoại trừ khi cả hai cùng bắt đầu với cùng thành phần nặng tại lõi của nó.
Giả thuyết bắt giữ
Có lẽ lực hấp dẫn của Trái đất đã bắt một vật thể đi qua, như điều đã xảy ra với các Mặt trăng khác trong Hệ Mặt Trời, chẳng hạn như các Mặt trăng của sao Hỏa là Phobos và Deimos. Theo giả thuyết bắt giữ, một thiên thể đá được hình thành ở đâu đó trong Hệ Mặt Trời có thể đã bị kéo vào quỹ đạo xung quanh Trái Đất. Giả thuyết bắt giữ có thể giải thích được sự khác nhau về thành phần của Trái Đất và Mặt trăng. Tuy nhiên, một vệ tinh như vậy thường có hình dạng kì dị chứ không phải dạng hình cầu như Mặt trăng. Đường đi của chúng cũng không có xu hướng nằm trên cùng mặt phẳng hoàng đạo của hành tinh mẹ, cũng không giống như Mặt trăng của chúng ta.
Mặc dù giả thuyết cùng hình thành và giả thuyết bắt giữ cùng giải thích các thành phần tồn tại trên Mặt trăng, thì chúng vẫn để lại rất nhiều câu hỏi chưa được trả lời. Cho đến hiện tại, giả thuyết vụ va chạm lớn dường như trả lời được rất nhiều các câu hỏi, giúp nó trở thành mô hình tốt nhất phù hợp với những bằng chứng khoa học về cách mà Mặt trăng được tạo thành.