Новый период в изучении Луны начался в XVII веке с изобретением итальянским ученым Галилео Галилеем (1564–1642) телескопа. В 1610 году» наблюдая в телескоп Луну, он обнаружил, что ее поверхность покрыта темными и светлыми пятнами. Галилей назвал темные области «морями», потому что они показались ему обширными водными бассейнами, а светлые «материками». Последние изобилуют горными хребтами, ущельями и очень характерными кольцевыми образованиями — кратерами, многие из которых имеют посредине так называемую центральную горку. Крупнейшие из кратеров стали называться также цирками.

С тех пор вот уже почти четыре столетия длится эпоха телескопического изучения Луны. За это время ученые составили карты Луны, и многие детали лунного рельефа получили собственные имена. Хребтам дали названия земных горных систем — Альпы, Апеннины, Кавказ, а равнины стали называться Океаном Бурь, Морем Дождей, Морем Спокойствия и т. д. Кратерам же присвоили имена известных ученых, астрономов, математиков и других знаменитостей. Так, на Луне известны кратеры Коперника, Кеплера, Ньютона, Ломоносова, Циолковского и т. д.

Уже Г. Галилей знал, что на Луне не бывает облаков, хотя был абсолютно уверен в существовании у Луны атмосферы. Первым, кто пришел к выводу о том, что на Луне нет атмосферы, был нидерландский ученый Христиан Гюйгенс (1629–1695). На эту мысль его навело наблюдение края лунного диска во время солнечного затмения.

Открытие известным немецким ученым Иоганом Кеплером (1571–1630) законов движения планет Солнечной системы и великим английским ученым Исааком Ньютоном (1643–1727) — закона всемирного тяготения привело к переориентации последующих исследований Луны. На некоторое время картографирование Луны приостановилось, и на первое место вышла выдвинутая в то время теория ее движения, которая стала разделом небесной механики. Ньютон разработал метод определения массы Луны по величине возбуждаемых ею приливов в земных океанах и морях.

В начале XIX века продолжала совершенствоваться теория движения спутника Земли, а к его окончанию относятся и первые астрофизические исследования Луны: фотометрические измерения, исследования поляризации лунного света, измерение температуры ее поверхности и т. д. В конце XIX века были получены первые снимки Луны и выпущен ее первый фотографический атлас.

К концу 40-х годов XX века информации о Луне накопилось достаточно много. Так, если смотреть на Луну со стороны земного Северного полюса, Луна, как и все планеты и спутники Солнечной системы, обращается вокруг Земли в направлении против часовой стрелки. В частности, оказалось, что она обращается вокруг Земли по эллиптической орбите со средней скоростью 1,02 километра в секунду и с периодом, равным примерно календарному месяцу. При этом полный оборот на небе по отношению к звездам Луна совершает за 27 суток 7 часов 43 минуты 11,5 секунды (так называемый сидерический месяц). Период же обращения Луны вокруг Земли по отношению к Солнцу равен 29 суткам 12 часам 44 минутам 2,7 секундам. В течение этого периода (так называемого синодического месяца) происходит последовательная смена лунных фаз.

Вместе с Землей Луна движется по орбите вокруг Солнца со скоростью 30 километров в секунду. Как отмечалось выше, лунные сутки длятся почти земной месяц — так лениво поворачивается Луна вокруг своей оси. В результате этих движений нашего спутника земные наблюдатели не только видят смену фаз от новолунья до полнолунья, но и могут слегка «заглянуть» на обратную сторону Луны.

Благодаря этой так называемой оптической либрации Луна обнаруживает еще около 10 процентов поверхности. Кроме оптической, существует еще физическая либрация Луны — покачивание относительно прямой, соединяющей центры масс Земли и Луны. Покачивание объясняется суммарным действием гравитационных полей Земли и Солнца, его амплитуда составляет всего несколько градусов, а периоды — несколько месяцев и несколько лет.