敦煌月牙泉的成因是多方面的，目前較為公認的說法是古河道殘留湖、斷層滲泉和風蝕湖共同作用的結果。以下是三種成因的具體介紹：
古河道殘留湖。認為月牙泉是附近黨河的一段古河道，很久以前，黨河改道，大部分古河道被流沙淹沒，僅月牙泉一段地勢較低，由於地下潛流出露，匯集成湖。
斷層滲泉。認為月牙泉南側有一東西向的斷層，斷層上盤抬高了地下含水層，下盤降到附近潛水面時，潛流通出成泉。
風蝕湖。認為原始風蝕窪地隨風蝕作用的加劇，當達到潛水面深度時，在新月形沙丘內灣形成泉湖。由於環繞月牙泉的沙山南北高，中間低，自東吹進環山窪地風會向上方走，風力作用下的沙子總是沿山樑和沙面向上卷，因而沙子不會刮到泉里，沙山也總保持似脊似刃的形狀，這才形成沙泉共存的奇景。