月牙泉的水是从地下来的。一种说法认为月牙泉的水是靠地下潜流的补给，认为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，因而不会枯竭。另外一种说法认为月牙泉的水是由地下断层渗泉补给的。认为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，潜流通出成泉。