Les observations de la Lune ont été nombreuses depuis le début du XIXe siècle.
Son grand diamètre apparent et l’absence d’atmosphère sensible à sa surface sont des avantages incontestables pour l’observation et ont permis de réaliser des observations ciblées sur des parties de surface.
Pour préparer sa thèse, Lyot effectue soixante et une observations qui corroborent les observations d’Arago et de ses successeurs. Toutes ses observations lui permettent de conclure qu’en chaque point de la face visible, le plan de polarisation est parallèle au plan passant par le Soleil et ceci pendant la plus grande partie des phases. Toutefois, il perçoit un phénomène que ses prédécesseurs n’avaient pas observé : en dessous d’une trentaine de degrés de l’angle de vision, c’est-à-dire au voisinage de la pleine Lune, il se produit une brusque inversion du plan de polarisation.
Néanmoins, celui-ci reste toujours indépendant de l’orientation de la surface de la Lune par rapport aux directions de la Terre et du Soleil.
Il découvre aussi que la proportion de lumière polarisée n’est pas du tout constante et qu’elle varie inversement au nombre d’albédo, ce qui correspond à une valeur assez faible sur les régions les plus claires, alors qu’elle est comprise entre 120 et 160‰ sur les mers.
De manière générale, il établit que de la nouvelle Lune à la pleine Lune, la polarisation diminue. En moyenne, il observe que la proportion de lumière polarisée atteint un maxima de 66‰ lorsque la Lune croît dans le premier quartier et de 88‰ quand elle décroît au cours du dernier quartier. Il explique cette différence grâce à la surface occupée par les mers dans le dernier quartier ; cette région abrite en effet la mer des Nuées et de la mer des Pluies qui sont les zones les plus sombres que l’on observe.

En fin observateur, Lyot note aussi que la région du terminateur -la région qui est au plus près du bord de l’ombre- fait exception à cette règle : la polarisation y subit un accroissement important et cet effet est accentué lors de la quadrature.
Cette donnée qui avait été souligné par Secchi est interprétée par Lyot comme la manifestation de l’accentuation des différences entre les terres et les mers à l’approche des quadratures.