月牙泉古名沙井，自于鸣沙山环抱之中，因其形酷似一弯新月而得名。
据史书记载，鸣沙山与月牙泉成为沙漠奇观已有两千多年的历史了。千百年来，人们面对这一沙海奇观，始终感到奇怪，作为沙丘的鸣沙山为何千年不变？而在沙海之中的月牙泉又为何“泉映月而无尘”、“月泉晓澈，亘古沙不填泉，泉不涸竭”？这大自然创造的奇迹，古人百思不得其解，最后只好叹为“山之神异，泉之神秘”。
据考证，月牙泉四面沙山高耸，山坳随着泉的形状也成月牙形，吹进这种环山洼地里的风，由于空气力学原理，会向上旋，于是月牙泉周围山上流下来的沙子又被送回四面的鸣沙山脊的另外一侧，这就是泉水不为黄沙掩盖的道理。两千多年来，正是因为这种独特的地形运动，使沙山和泉水保持着矛盾而又和谐的天然共生共存状态。尽管风沙肆虐，月牙泉依然碧水粼粼。月牙泉，梦一般的谜，千百年来不为流沙而淹没，不因干旱而枯竭。在茫茫大漠中有此一泉，在黑风黄沙中有此一水，在满目荒凉中有此一景，深得天地之韵律，造化之神奇，令人神醉情驰。“晴空万里蔚兰天，美绝人寰月牙泉，银山四面沙环抱，一池清水绿漪涟”。“月牙晓澈”为敦煌八景之一。月牙泉是国家级重点风景名胜区，中国旅游胜地四十佳之一，被称为天下沙漠第一泉。
今人对月牙泉起源的解释有四种：
一是古河道残留湖。认为月牙泉是附近党河的一段古河道，很久以前，党河改道，大部分古河道被流沙淹没，仅月牙泉一段地势较低，由于地下潜流出露，汇集成湖。湖水不断得到地下潜流的补给，因而不会枯竭。20世纪50年代测量，月牙泉水面东西长218米，南北最宽处54米，平均水深5米，最深处7米有余。
二是断层渗泉。认为月牙泉南侧有一东西向的断层，断层上盘抬高了地下含水层，下盘降到附近潜水面时，潜流通出成泉。
三是风蚀湖。即原始风蚀洼地随风蚀作用的加剧，当达到潜水面深度时，在新月形沙丘内湾形成泉湖。由于环绕月牙泉的沙山南北高，中间低，自东吹进环山洼地风会向上方走，风力作用下的沙子总是沿山梁和沙面向上卷，因而沙子不会刮到泉里，沙山也总保持似脊似刃的形状，这才形成沙泉共存的奇景。
四是人工挖掘。认为月牙泉形状与半轮新月惟妙惟肖，好似人工刻意修饰的结果，加之古籍中有“沙井”的记载，既然称井必须是人力劳作的结果。
