月牙泉是一处神奇的漫漫沙漠中的湖水奇观。鸣沙山下，泉水形成一湖，在沙丘环抱之中，酷似一弯新月而得名月牙泉。月牙泉东西长218米，南北宽54米，平均水深５米左右。泉内生长有眼子草和轮藻植物，南岸有茂密的芦苇，四周被流沙环抱，虽遇强风而泉不为沙所掩盖。因“泉映月而无尘”、“亘古沙不填泉，泉不涸竭”而成为奇观。相传泉内生长有铁背鱼、七星草，专医疑难杂症，食之可长生不老，故又有“药泉”之称。据说，月牙泉早在汉代就是游览胜地。

    唐代这里有船舸，泉边庙宇。泉南岸原有一组古朴雅肃、错落有致的建筑群，从东向西计有娘娘殿、龙王宫、菩萨殿、药王洞、雷神台等百余间。各主要殿宇有彩塑百尊以上，所绘壁画数百幅。重要殿堂均悬置匾额、碑刻，如“第一泉”、“别有天地”、“半规泉”、“势接昆仑”、“掌握乾坤”等，书法雅俊，堪称上品。当时这里亭台楼阁，庙貌辉煌，宫厅柱廊，临水而设。林木蓊郁，泉光与山色相映，古刹神庙，绕以常年香火。历代骚客游玩，吟诗咏赋，挥毫者不乏其人。史载，汉元鼎四年（前１１３年），汉武帝得天马于渥洼池中，后人疑月牙泉即汉渥洼池，遂立一石碑曰“汉渥洼池”。“四面风沙飞野马，一潭之影幻游龙”。由是，奇特的月牙泉更增添了传奇色彩。近年随着旅游事业的蓬勃发展，当地政府地对风景区采取了各种建设和保护措施，使其面貌大为改观，同时还开展了沙疗、涌滑沙、滑翔跳伞，骑驼遨游等沙漠娱乐项目，使游人趣味盎然，络绎不绝。