月牙泉的形成主要取决于月牙泉所处的地质结构、低洼的地形条件和区域性地下水位较高等方面因素。
月牙泉西边，有一条古老的河流——党河。党河的水源补给主要依靠祁连山的冰雪融水，大量河水渗透到地下，成为地下水。由于地壳的上升和沉降运动，使得南部山区大量的碎屑物质源源不断地被搬运到盆地中沉积下来，松散堆积物奠定了月牙泉下部松散的地质结构，为地下水的贮存和流动提供了有利的空间条件。
除了地质结构以外，低洼的地形条件是月牙泉形成的另一个重要因素。
月牙泉是国家级重点旅游风景名胜区，处于腾格里沙漠边缘，与宁夏中卫县的沙坡头、内蒙古达拉特旗的响沙湾和新疆巴里坤哈萨克自治县境内的巴里坤镇同为中国四大鸣沙山。
月牙泉位于敦煌市南部，鸣沙山以北。
月牙泉泉眼很小但是经年不涸。其泉水的补给方式猜测有很多，经过多年的研究努力，基本排除了地下承压水、上升泉、古河道残留湖等几种说法。它其实是很简单的在松散地层下的地下水溢出，而这地下水的水源补给，就来自于其西北面的党河。
月牙泉的地下，并没有隔水层，只有松散的结构。
而其四周高于月牙泉的地形，使得水流在地下不断向月牙泉方向汇集，形成了泉体。而月牙泉正好又是一块得天独厚的洼地，于是地下水在这里露出地表。
