第一种说法是古河道残留湖，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，因而从不枯竭。
第二种说法是断层渗泉，即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，潜流涌出形成月牙泉。
第三种，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大漠奇景。
第四种说法认为月牙泉是人工挖掘，因为月牙泉形状与半轮新月惟妙惟肖，就像人工刻意修饰而成，加上古籍中有“沙井”的记载，既然称井，就可能是人力劳作的结果。不过，这个观点应该不具说服力，试想，在古代，想要靠人力在沙漠中挖出这样一个泉谈何容易？更不要说保证水源了，而且也没有那个必要嘛。你认为呢？
