Сюжет фильма разворачивается последовательно и без неожиданных поворотов. Группа астрономов во главе с профессором Барбенфуйлисом представляет проект полёта на Луну, который встречает одобрение. Они строят капсулу в виде снаряда и гигантскую пушку. Девушки в матросских костюмах заряжают пушку, и снаряд с астрономами внутри выстреливает в космос. Кадр прилунения является одним из самых известных в истории: снаряд попадает прямо в глаз антропоморфной Луны.
На Луне астрономы наблюдают восход Земли и укрываются от холода в пещере, где обнаруживают гигантские грибы. Появляются селениты, насекомоподобные жители Луны. Первый же контакт оказывается враждебным: астроном убивает селенита ударом зонтика, и тот взрывается. Астрономов окружает толпа селенитов, и их приводят к своему королю. Одному из астрономов удаётся сбросить короля с трона, и пленники с боем прорываются к своей капсуле.
В финале пятеро учёных забираются внутрь, а профессор Барбенфуйлис, цепляясь за верёвку снаружи, сталкивает капсулу с края Луны. Капсула падает в океан на Земле, где её подбирает корабль. Экспедиция возвращается в Париж, где их ждёт триумфальная встреча. Их чествуют как героев, открывают памятник в их честь и демонстрируют привезённого с Луны пленника-селенита. Фильм заканчивается всеобщим ликованием.