Di tahun 2011, astronot Brian Harper, Jocinda “Jo” Fowler, dan pendatang baru Alan Marcus berada dalam misi Pesawat Ulang-alik untuk memperbaiki satelit. Segerombolan teknologi alien misterius menyerang pengorbit, membunuh Alan dan membuat Jo pingsan sebelum membuat terowongan ke permukaan Bulan. Brian, satu-satunya saksi kawanan tersebut, mengembalikan pesawat ulang-alik yang lumpuh itu ke Bumi, namun ceritanya diabaikan dan dia dipecat dari NASA.
Sepuluh tahun kemudian, ahli teori konspirasi K.C. Houseman, yang percaya bahwa Bulan adalah megastruktur buatan, diam-diam menggunakan teleskop penelitian. Dia menemukan bahwa orbit Bulan semakin dekat ke Bumi, dan mencoba berbagi temuannya dengan Brian yang dipermalukan. NASA juga menemukan anomali tersebut, tetapi K.C. dipublikasikan di media sosial, menyebabkan kepanikan global. Jo sekarang menjadi wakil direktur NASA, meluncurkan pesawat ruang angkasa dengan roket SLS Blok 1 untuk menyelidiki kelainan tersebut.
Serangan kawanan alien yang sama, menewaskan ketiga astronot bulan setelah mereka menjatuhkan wahana ke dalam lubang buatan sedalam beberapa kilometer yang terbuka di permukaan Bulan. Ketika orbit bulan mengerikan, Bulan jatuh semakin dekat ke Bumi, menyebabkan gangguan seismik dan gravitasi.
Jo bertemu mantan pejabat NASA Holdenfield, yang mengungkapkan bahwa Brian didiskreditkan karena penutupan NASA sejak Apollo 11; selama pendaratan pertama di Bulan, pemadaman radio selama dua menit dimaksudkan untuk menyembunyikan bukti cahaya yang berdenyut di permukaan. Apollo 12 mengungkapkan bahwa Bulan berlubang, dan perangkat EMP militer yang dibuat untuk membunuh kawanan tersebut ditinggalkan karena alasan anggaran.
Dengan bantuan mantan suaminya Jenderal Doug Davidson, Kepala Staf Angkatan Udara, Jo meminta EMP dan menyelamatkan pensiunan Pesawat Ulang-alik Endeavour dari museum untuk menjalankan misi baru: memperbaiki orbit Bulan dan menghancurkan kawanannya. Brian, K.C., dan Jo meluncurkan EMP, nyaris lolos ke orbit saat tsunami menghancurkan Pangkalan Angkatan Udara Vandenberg.
Mereka mencapai bagian dalam Bulan, dan ternyata merupakan bola Dyson yang ditenagai oleh katai putih di pusatnya. Sistem operasi AI pada bola Dyson menjelaskan kepada Brian bahwa miliaran tahun yang lalu, nenek moyang umat manusia yang berteknologi maju dibasmi oleh AI jahat.
