月牙泉名为“泉”，实际上它是一个“袖珍湖”，但是这个湖的形状像一湾月牙，因此被命名为“月牙泉”。月牙泉不但美景如画，还盛产“三宝”：一是泉水中出产的铁脊鱼，这种鱼能治疑难杂症；二是泉底有一种可催生壮阳的草叫七星草；三是湖岸有如同彩虹一般美丽灿烂的五色砂砾。
据《元和郡县志》载：在鸣沙山旁有一泓泉水，名字叫沙井。这口泉从古到今，无论风沙多大，都有甘美的泉水。沙漠中光照强烈，气候干旱，蒸发量大，其他的湖泊泉眼有的会干涸，有的会被风沙填没，只有月牙泉永远填不没，永远不干涸。为什么会如此呢？这就需要了解月牙泉的成因。
传说中国汉朝时期，有个名为李广利的将军曾征伐大宛（这是古代一个国家名，在现在的中亚费尔甘纳盆地），之后，在退兵返回的路上，大军曾经在这个地方驻扎过。当时，因为在沙漠中行军，士兵们都十分渴，军心动摇。在这种危急的情形下，李将军急中生智，“引力刺山，有泉涌出”。这就是月牙泉的由来。民间传说认为它是天赐的“神泉”，这才在沙漠中永不干涸。但这只是传说，不足为信。
科学家对月牙泉进行了深入的考察研究，发现古时的月牙泉并不是单独的一个小湖，而是党河的一部分。美丽的党河在这个地方打了个湾，这就是月牙泉的前身。
后来，党河河水不再从这里经过了，但这个美丽的河湾却留了下来，永远地站在了鸣沙山边，成为一个独立的小湖。
那么为什么它可以在烈日的蒸烤、干旱的逼迫下一直保持清亮永不干涸呢？原来，月牙泉在地形上与三危山大断层的走向是一致的，都是东北走向，这样，孕育了月牙泉的党河地下水就可以继续滋润月牙泉，月牙泉有大量地下水供应，自然不会干涸了。
月牙泉的周围环境也很奇特，它的南面有金字塔形的沙丘将风沙挡在了外面，这样，沙漠中的狂风只能吹动两面山坡和沙丘背部的沙粒，这些小变动是不会引起大面积沙丘转移的，月牙泉也不会受到风沙的威胁，因而，月牙泉不会被大量沙粒所填满，也不会因沙丘转移而像罗布泊一样不断改变泉水的位置。正是这些诸多有利因素，使沙漠中的月牙泉永不干涸。
