作为世界上天文学起步最早，发展最快的国家之一，我国对月食的观测和认识已有3000多年的历史。殷商时期的甲骨文中有“庚申，月有食”、“旬壬申夕，月有食”等关于月食的记录，这表明，早在公元前13世纪以前，我们的先人们已经开始观测月食了。《逸周书·小开解》也曾记录有一次月食：“唯三十有五祀，王念曰：口所口，正月丙子，拜望食无时，汝开后嗣。”据推算，这次月食应在公元前1137年1月29日。《诗经·小雅》载“彼月而食，则维其常”，当指公元前776年8月21日的月偏食。由此可以看出，当时人们已认知月食是经常发生的现象。在观测的同时，古人也对月食产生的原因和规律有了初步的认识。《周易·丰卦》中说：“月盈则食”，说明在周代人们已经认识到月食发生在望月，也就是满月的时候。《史记·天官书》第一次提出了月食发生的周期：“凡百一十三月而复始。故月食，常也。”西汉实施的《三统历》中给出了135个朔望月有23交的交食周期。东汉王充在《论衡》中也给出了5至6个月的月食周期，并断定“食有常数，不在政治”《论衡》。明确指出了月食是一种经常出现的自然现象，是有规律可循的，与政治无关，这对封建统治阶级所散布的天人感应的封建神学思想是一种有力的批判。
然而，从理论上对月食成因给以科学正确解释的，则始于张衡。他在《灵宪》中说：夫日譬犹火，月譬犹水，火则外光，水则含景。故天日宣明于昼，纳明于夜，如有瑕，必露其匿，人君者仰则焉。夫月，端其形，而洁其质，向日禀光。月光生于日之所照，魄生于日之所蔽。当日则光盈，就日则光尽也。众星被耀，因水转光。当日之冲，光常不合者，蔽于地也，是为暗虚。在星星微，月过则蚀。日之薄地，暗其明也。繇暗视明，明无所屈，是以望之若大方。其中天，天地同明。繇明瞻暗，暗还自夺，故望之若小火。当夜而扬光，在昼则不明也。月之于夜，与日同而差微。
通过这段话张衡解释了两个问题。首先，张衡认为，月亮本身是不发光的，但它能够反射太阳光，之所以有月光就是因为它将太阳光反射而成。月亮上的暗虚是太阳照不到的缘故。所以，当月亮和太阳正相对时，就出现满月，当月亮向太阳靠近时，月亮的亏缺就越来越大。太阳照到的地方发光，照不到的地方则不发光，以致最终完全看不见。张衡的“月光生于日之所照”的理论并非首创，而是在前人的研究成果之上发展而来。大约成书于公元前一世纪的《周髀算经》中载：“日兆（通照）月，月光乃生，故成明月。”
西汉学者京房说的则更为明确：“先师以为日似弹丸，月似镜体，或以为月亦似弹丸。日照处则明，不照处则暗。”《开元占经》，张衡的月相理论与他们没有本质的区别，但张衡更强调了月相与日、月之间相对位置的关系，使月相理论有了进一步的发展。其次，为什么会出现月食现象呢？对此，张衡给出了创造性的解释，那就是“蔽于地也”。他认为，太阳照在地球上，地球的另一面就会产生黑影子——暗虚，如果星星进入影子里，星星就失去了光茫，而如果月亮进入影子里，则会发生月食。张衡的解释无疑是正确的，他用浑天说的理论在世界上第一次成功地揭示了月食产生的科学道理，为后世形成更加完备的月食理论提供了科学思路，并奠定了理论基础。
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