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La respuesta breve es que la luna mantiene su tamaño en todo su recorrido sin importar su ubicación en el cielo. No obstante nuestra percepción puede engañarnos y hacer parecer que la luna es más grande cuando se encuentra cerca al horizonte, pero esto no es más que un engaño perceptual llamado "Ilusión de Ponzo".

La explicación para esta ilusión fue estudiada por Mario Ponzo en 1913, quien demostró que la mente humana usualmente juzga y determina el tamaño de un objeto distante con base en el paisaje que lo rodee y los objetos que puedan estar adelante y detrás de él.

Según la explicación de Ponzo al ejemplo de la luna, nuestra mente percibe el cielo como un domo achatado que parece más cercano sobre nuestras cabezas que en
dirección al horizonte. Esto se presenta puesto que en dirección al horizonte podemos ver usualmente un sinfín de objetos que por efecto de la perspectiva van apareciendo más pequeños a medida que son más lejanos, reforzando la percepción de mayor distancia.

Teniendo esto en cuenta, junto con la percepción que tenemos de la luna como un disco luminoso que está pegado al domo del cielo, se derivan los siguientes hechos que explican y/o refuerzan la ilusión:

1. La luna en el horizonte se percibe como un objeto muy lejano (más lejano que cuando está en el zenit, debido a que está incrustada sobre un domo que se percibe achatado).

2. En el horizonte existen numerosos objetos que contrastan en tamaño con la luna, mientras que cuando ésta se encuentra en el zenit no hay tantos parámetros de comparación.

3.La luna subtiende aproximadamente 0.5 grados de arco en el cielo, con lo cual al proyectarse detrás de objetos que por efecto de la perspectiva se ven pequeños,  la percepción de anchura se incrementa.

En consecuencia, cuando nuestros ojos objetivamente captan que la luna mantiene su tamaño a medida que se aleja del horizonte, nuestra mente subjetivamente concluye que la luna en el horizonte (cuando la percibimos como más lejana) debe ser de mayor tamaño que cuando está sobre nuestras cabezas (donde pensamos que está más cerca).

Adicionalmente a los estudios de Ponzo, han surgido otras explicaciones complementarias, relacionadas también con aspectos perceptuales y con la forma en que el ojo enfoca objetos que tienen o no otros patrones de comparación para dar una idea sobre su distancia. Estas más recientes explicaciones se basan en dos fenómenos oculares llamados macropsia y micropsia oculomotora.

La macropsia oculomotora causa que los objetos parezcan tener un mayor tamaño angular cuando parecen ser distantes con base en indicios aportados por el
paisaje. Mientras que la micropsia oculomotora hace que los objetos parezcan tener un menor tamaño angular cuando están cerca de nosotros con base en indicios sobre su distancia. En el caso de la luna, cuando ésta se encuentra cerca al zenit no hay tantas pistas sobre su distancia, por lo tanto nuestros ojos asumen que el objeto se encuentra a una distancia de uno o dos metros (aún cuando mentalmente sabemos que realmente se encuentra muy lejos) y la micropsia oculomotora hace que parezca mas pequeña de lo que normalmente la percibimos. Cuando la luna está en el horizonte, los objetos que están contrastando en el paisaje, tales como edificios, árboles y montañas, nos aportan indicios sobre la gran distancia a la cual se encuentra y la macropsia oculomotora hace que la percibamos más grande de lo que normalmente aparece.