月牙泉名為“泉”，實際上它是一個“袖珍湖”，但是這個湖的形狀像一灣月牙，因此被命名為“月牙泉”。月牙泉不但美景如畫，還盛產“三寶”：一是泉水中出產的鐵脊魚，這種魚能治疑難雜症；二是泉底有一種可催生壯陽的草叫七星草；三是湖岸有如同彩虹一般美麗燦爛的五色砂礫。
據《元和郡縣誌》載：在鳴沙山旁有一泓泉水，名字叫沙井。這口泉從古到今，無論風沙多大，都有甘美的泉水。沙漠中光照強烈，氣候幹旱，蒸發量大，其他的湖泊泉眼有的會幹涸，有的會被風沙填沒，隻有月牙泉永遠填不沒，永遠不幹涸。為什麼會如此呢？這就需要了解月牙泉的成因。
傳說中國漢朝時期，有個名為李廣利的將軍曾征伐大宛（這是古代一個國家名，在現在的中亞費爾甘納盆地），之後，在退兵返回的路上，大軍曾經在這個地方駐紮過。當時，因為在沙漠中行軍，士兵們都十分渴，軍心動搖。在這種危急的情形下，李將軍急中生智，“引力刺山，有泉湧出”。這就是月牙泉的由來。民間傳說認為它是天賜的“神泉”，這才在沙漠中永不幹涸。但這隻是傳說，不足為信。
科學家對月牙泉進行了深入的考察研究，發現古時的月牙泉並不是單獨的一個小湖，而是黨河的一部分。美麗的黨河在這個地方打了個灣，這就是月牙泉的前身。
後來，黨河河水不再從這裏經過了，但這個美麗的河灣卻留了下來，永遠地站在了鳴沙山邊，成為一個獨立的小湖。
那麼為什麼它可以在烈日的蒸烤、幹旱的逼迫下一直保持清亮永不幹涸呢？原來，月牙泉在地形上與三危山大斷層的走向是一致的，都是東北走向，這樣，孕育了月牙泉的黨河地下水就可以繼續滋潤月牙泉，月牙泉有大量地下水供應，自然不會幹涸了。
月牙泉的周圍環境也很奇特，它的南麵有金字塔形的沙丘將風沙擋在了外麵，這樣，沙漠中的狂風隻能吹動兩麵山坡和沙丘背部的沙粒，這些小變動是不會引起大麵積沙丘轉移的，月牙泉也不會受到風沙的威脅，因而，月牙泉不會被大量沙粒所填滿，也不會因沙丘轉移而像羅布泊一樣不斷改變泉水的位置。正是這些諸多有利因素，使沙漠中的月牙泉永不幹涸。