敦煌月牙泉在鸣沙山的环抱之中，因水面形状酷似一弯新月而得名。月牙泉南北长100米，东西宽约25米，泉水东深西浅，最深处约5米。水色蔚蓝，澄沏如镜，宛若沙海一颗晶莹的翡翠。池旁水草丛生，芦苇摇曳。四周碧草如茵，绿柳扶疏。碧天黄沙，水光树影，色泽鲜明，相映成趣，使月牙泉更显秀美。它在我国古代文献中早有记载。唐代的《元和郡县志》中说：“鸣沙山有一泉水，名日沙井，绵历古今，沙填不满，水极甘美。”据说泉内还生长着能让人吃了长生不老的“铁背鱼”、“七星草”，因此，月牙泉还有“药泉”之称。《敦煌县志》上有诗云：“一弯如月弦初上，半壁澄波镜比明。”这是前人对月牙泉“月牙晓彻”的真实描写。在这蒸发量超过降雨量上百倍的沙漠中，也未使泉水涸竭，这不能不成为地理构造上的一大奇迹。
月牙泉犹如一个小小的盆地，被南北两山所夹，其中南山北坡凸出，北山南坡则凹进，造成泉呈月牙形。月牙泉一般在吹西北风时，风从风口进入泉区后，由于特殊的地貌类型，风向被分成东、南、北三股，并沿着泉水四周的山坡作离心上旋运动，把山坡下的流沙往上吹，抛向山峰顶端或另一坡面。泉水面积只要能保持在一个较固定的范围内，风的上升力就能足以使滑落的流沙回升到原来的高度，流沙与泉水在自然地理上永远保持着矛盾而和谐的天然共存状态。清代一位诗人留下这样一首诗：“一弯明月弦初上，半壁澄波镜比明。风卷风沙终不到，泉含玉水正相生。歇来亭畔玩，吸得茶香自取烹。”这首诗对月牙泉的壮丽景色做了形象的描绘。在月牙泉南岸高地上原有庙宇建筑100多间。亭台楼阁，鳞次栉比，与泉水相映成趣，壮观而幽雅。
清代月牙泉著名的古建筑有：吕祖殿、龙神祠、达摩殿、万寿宫、鸣沙书院、月芽泉官厅、雷神台等建筑，这些宏伟的建筑给神秘的月牙泉增色不少。从清代雍正四年（1726年），清政府向沙州移民实边后，当地政府在宋元明时期留下的月牙泉废墟上进行了大规模的修建，月牙泉的规模相当可观，重新成为敦煌地区香火旺盛的道家宗教活动场所。月牙泉作为道家宗教活动的重要场所历史上可追溯到六朝乃至更远的时期。
六朝至唐宋数百年间，敦煌最为流行的两个宗教莫过于佛、道二教。莫高窟为敦煌佛教圣地，而月牙泉则为敦煌道教圣地。前者早为世人熟知，后者则鲜为人知。幸得藏经洞出土文书S·788号《沙州志》有所透露，从中勾隐稽佚，方得知其消息。S·788号卷载：“欠投龙事，在沙井。”“投龙”为六朝至唐宋时道教的一种通神法术和法事活动的重要仪式，“沙井”即今之月牙泉。“欠投龙事，在沙井。”“投龙”又称“投金龙玉壁”，或称“投龙进简”。《上清灵宝大法》、《曼宝玉鉴》、《灵宝领教济度金书》、杜光庭《太上黄录斋仪》及敦煌遗书P·2354《投金龙玉壁仪》等皆有记载。投龙的目的是盟告天地，传达世人祈福消灾、延寿祛疫、拔度苦魂的意愿。方法是在做法事过程中以金龙、玉璧和符简置于山、埋于土或投于水。唐宋时代敦煌亦盛行投龙法事，上起北魏，下至北宋五百多年间当是投龙盛行之时。天下名山僧占多，敦煌僧人占领着以莫高窟为主的寺庙，以中国主要传统文化著称的道教则以鸣沙山、月牙泉为据点，以泉边的道观作为道士们做法事活动的场所。
月牙泉倦臥于鸣沙山的环抱之中，粒昼条鳅和莎车条鳅自由自在地在里面摆动着铁背鱼的背影，芦苇草在里面点荡着七星草的传奇故事，清澈透明的月牙泉倦臥于鸣沙山的环抱之中像一只水汪汪的大眼睛在仰望蓝天，千万年以来肆虐的狂沙始终没有迷住你的眼睛。山因泉而神、泉因山而奇，二者相映成趣，愈发显出它的奇特和壮丽。
