鸣沙山与月牙泉共生共存，这神奇的自然奥秘，吸引着许多科学家去破译。终于，经过专家大范围的考察和研究后发现，鸣沙山的流沙和月牙泉是一种非常奇特的地貌现象。
月牙泉自史书记载以来不涸不腐，鸣沙山山体不变，沙不埋泉，是因为月牙泉有东北、西北两个风口。
当风进入任何一个风口以后，在特殊的地形地貌的影响制约下，又分为三股不同方向的气流，沿着月牙泉周围的山坡作离心式上旋运动，把山坡下的流沙刮到山顶，抛向山峰另一侧。
即使经年累月，月牙泉周围沙山上塌下来的沙子，总要被离心式上旋的气流送到四面的鸣沙山脊上，而不往下流。数千多年来，正是因为这独特的地形和气流运动，使沙山与泉水保持着矛盾而又和谐的天然共生共存状态。
月牙泉的形成主要取决于月牙泉本身的地质结构、低洼的地形条件和较高的区域性地下水位等三个方面的因素。
20世纪70年代中期以前，敦煌城及其南部地区地下水位比70～80年代地下水位高10米左右，在较高水位条件下，来自南部和西南部的地下水通过地下径流进入泉域后，在地形较低的洼地溢出，形成了月牙泉，较高的区域性地下水位是月牙泉形成的重要条件，也是月牙泉保持数千年长期不干的基本保证。
历史上的月牙泉不仅“千古不涸”，而且水面、水深皆极大。有文献记载，清朝时这里还能跑大船。
20世纪初有人来此垂钓，其游记称：“池水极深，其底为沙，深陷不可测。”月牙泉在有限的史料记载和诗词歌赋中，一直是碧波荡漾、鱼翔浅底、水草丰茂，与鸣沙山相映成趣，在当地老百姓中有铁背鱼、七星草和五色沙三件宝的说法。
直到1960年前，泉水没有大的变化，最大水深9米，湖水面积22.5亩。20世纪70年代中期，当地垦荒造田抽水灌溉及周边植被破坏、水土流失，导致敦煌地下水位急剧下降，从而月牙泉水位急剧下降。
月牙泉存水最少的时间是在1985年，那时月牙泉平均水深仅为0.7～0.8米。由于水少，当时泉中干涸见底竟可走人，而月牙泉也形成两个小泉不再成月牙形。这使得“月牙泉明日是否会消失”成为许多人关注的焦点。此后，敦煌市采取了多种方式给月牙泉补水。
甘肃省敦煌市为了全力拯救“沙海明珠”月牙泉，推行了禁止开荒、打井、移民的“三禁”政策，实施了关闭机井、压减耕地的“关井压田”和补水、节水、引水等措施，有计划地为月牙泉“输液”，初步控制了月牙泉水位下降趋势。至2010年10月，月牙泉水位稳定，平均水深维持在1.7米左右