เชื่อกันว่าทะเลสาบพระจันทร์เสี้ยวและโอเอซิสก่อตัวและคงอยู่มากว่า 2,000 ปี[1] ตาม "พงศาวดารของเทศมณฑลตุนหวง" ทะเลสาบไม่เคยถูกทรายปกคลุมซึ่งพัดมาจากลมแรงตั้งแต่ประวัติศาสตร์จนถึงปัจจุบัน[4] การกล่าวอ้างต่าง ๆ เกี่ยวกับการก่อตัวของทะเลสาบพระจันทร์เสี้ยว เช่น เกิดจากพุน้ำซับที่ค่อย ๆ สะสมตัว, รอยเลื่อน, น้ำพุจากรอยแยกธรรมชาติ, น้ำบาดาลที่ล้น และส่วนที่เหลืออยู่ของแม่น้ำโบราณ (แม่น้ำตั่งสายเดิมที่เปลี่ยนเส้นทางและคงเหลือเป็นทะเลสาบรูปแอก)

ในปี 1997 มีการเริ่มต้นการสำรวจ หลังจากสำรวจและวิจัยภาคสนามนานกว่าห้าปี ผู้เชี่ยวชาญทางธรณีวิทยาจากสถาบันการสำรวจและออกแบบวิศวกรรมป้องกันและควบคุมภัยพิบัติทางธรณีวิทยาของมณฑลกานซู่ (甘肃地质灾害防治工程勘查设计院) เชื่อว่า ทะเลสาบพระจันทร์เสี้ยวตั้งอยู่ในช่องแคบระหว่างตะกอนน้ำพารูปพัดแม่น้ำตั่ง (党河洪积扇) และตะกอนน้ำพารูปพัดห้วยน้ำซีฉุ่ย (西水沟积扇) โดยก่อตัวจากสภาพภูมิประเทศที่ต่ำและระดับน้ำใต้ดินที่เอ่อล้นสู่พื้นผิว แม่น้ำตั่งเป็นแม่น้ำสายเดียวที่ไหลผ่านแอ่งตุนหฺวางและยังเป็นแหล่งน้ำบาดาลหลักในลุ่มน้ำตุนหฺวางอีกด้วย (แม่น้ำตั่งเป็นแม่น้ำสายสั้น ๆ ที่ไหลจากภูเขาในบริเวณทางใต้ในลักษณะที่ลุ่มน้ำแบบปิด ไม่สะสมตัวบนพื้นผิว แต่ไหลลงสู่แหล่งน้ำใต้ดิน) ลำธารใต้ดินของแม่น้ำตั่งเติมเต็มทะเลสาบอย่างสม่ำเสมอทำให้ระดับน้ำมีความสมดุล อีกปัจจัยหนึ่งคือที่ตั้งของทะเลสาบที่อยู่ท่ามกลางเนินทราย ที่ด้านใต้และด้านเหนือจะสูงกว่าฝั่งตะวันออกและตะวันตก ลมที่พัดไปตามเนินทรายจะหมุนขึ้นอย่างกะทันหันจากทางเข้าตะวันออกเฉียงใต้ที่มีทรายขึ้นไปด้านบนแล้วออกจากทางออกทิศตะวันตกเฉียงเหนือ ทรายจึงไม่ทับถมตัวโอเอซิส ลมพัดไปในทิศทางนั้นตลอดทั้งปี ทำให้เกิดทัศนียภาพที่สวยงามของหาดทรายและทะเลสาบพระจันทร์เสี้ยว[1][4][5][6]

ทะเลสาบพระจันทร์เสี้ยว ถูกล้อมรอบด้วยเนินทรายที่เรียกว่า "เนินทรายกระซิบ" (鸣沙山 )[7][8]