Поздним вечером пятеро друзей, включая автора, возвращались из одного из домов под Парижем. На небе ярко светила полная луна, привлекая внимание прохожих и вызывая у них различные остроумные предположения: одни считали её небесным окном, через которое проникает свет блаженных; другие утверждали, что Вакх повесил её в небе как вывеску своей таверны; третьи видели в ней гладильную доску, на которой Диана разглаживает Аполлона; четвёртые говорили, что это солнце в домашнем халате без лучей. Автор же выдвинул оригинальную гипотезу о том, что луна является отдельным миром, подобным Земле, которая в свою очередь выступает для неё луной. Несмотря на насмешки друзей, он опирался на взгляды известных мыслителей — Пифагора, Эпикура, Демокрита, Коперника и Кеплера. Судьба содействовала автору: вернувшись домой, он обнаружил книгу о жителях луны, которую не оставлял на столе, что послужило для него знаком к тому, чтобы раскрыть людям идею об обитаемости луны.
Для подъёма в небеса автор использовал склянки с росой, которые, притягиваясь солнечными лучами, подняли его над облаками. Там он разбивал склянки одну за другой и плавно спускался на поверхность, где встретил голых людей, разбегавшихся в испуге. Позже появился отряд солдат, с которыми он узнал, что находится в Новой Франции. Вице-король, человек возвышенных взглядов и сторонник идей Гассенди, тепло принял путешественника, и их философские беседы принесли автору большое удовольствие. Однако стремление подняться на луну не покидало его, и он создал машину с шестью рядами ракет, наполненных горючим. Попытка взлёта с утёса закончилась тяжёлым падением; после чего, по поверью, луна, высасывая мозг из костей, притянула автора к себе. Пролетев большую часть пути, он стал снижаться вверх ногами, упал на ветви древа жизни и оказался в библейском раю. Восприятие красоты этого места вызвало в нём одновременно приятные и болезненные ощущения, подобные тем, что испытывает эмбрион при вдыхании души. При этом его тело омолодело, волосы сменились, кровь оживилась, и вся природа организма наполнилась теплом и гармонией.
В раю автор встретил юношу необычайной красоты — пророка Илию, поднявшегося сюда на железной колеснице, движимой магнитом. Вкушая плоды древа жизни, Илия обрел вечную молодость. Из его рассказа автор узнал о прежних обитателях рая. Изгнанные Адам и Ева переселились на землю между Месопотамией и Аравией, где язычники почитали первого человека под именем Прометея, приписывая ему похищение огня с небес. Спустя века Господь внушил Еноху покинуть род человеческий; он поднялся на луну, запечатав подмышками два сосуда с дымом от жертвенного костра. Во время потопа вода достигла такой высоты, что ковчег плыл в небе на уровне луны. Одна из дочерей Ноя, спустив лодку в море, также попала в рай, где встретила Еноха; они жили вместе и имели потомство, однако безбожие детей и гордыня жены заставили праведника уйти в лес для молитв. Считается, что осенью, когда в воздухе появляется белая паутина, крестьяне называют её «нитками богородицы», именно в это время Енох отдыхал, расчёсывая льняную кудель.
Когда разговор коснулся вознесения на луну евангелиста Иоанна, автор допустил неуместную шутку, что вызвало гнев пророка Илии, который назвал его атеистом и выгнал. Испытывая голод, автор откусил яблоко с древа знаний, после чего его душу окутала тьма; разума он не лишился лишь благодаря живительной мякоти плода. Очнувшись в незнакомом месте, он оказался в окружении гигантских зверей с человеческими чертами, но передвигающихся на четырёх лапах. Эти существа приняли его за самку маленького животного королевы. Сначала автора передали фокуснику, который обучил его кувыркаться и строить гримасы для развлечения публики.
Никто не признавал автора разумным, передвигающимся на двух ногах, пока среди зрителей не оказался человек, побывавший на земле. Этот человек долго жил в Греции, где его называли Демоном Сократа, затем в Риме примкнул к партии младшего Катона и Брута, а после их смерти стал отшельником. На земле лунных жителей именовали оракулами, нимфами, гениями, феями, пенатами, вампирами, домовыми и привидениями. Современная земля стала настолько грубой и неразумной, что у лунных мудрецов пропало желание обучать её жителей, хотя истинные философы ещё встречаются, как, например, Демон Сократа, который с удовольствием навещал Гассенди. Луна же обладает преимуществом: здесь превыше всего ценят истину и разум, а софисты и ораторы считаются безумцами. Родившийся на солнце Демон, вселившись в тело уже стареющего человека, вдохнул жизнь в недавно умершего юношу.
Посещения Демона скрашивали тяжёлую участь автора, вынужденного служить фокуснику. Позже омолодевший Демон забрал его с целью представить двору. В гостинице автор ознакомился с обычаями лунян: его уложили на постель из цветочных лепестков, накормили ароматами и раздевали догола перед едой, чтобы тело лучше впитывало испарения. Демон расплатился с хозяином стихами, которые были оценены в Монетном дворе, и пояснил, что в этой стране умирают от голода лишь глупцы, а умные никогда не испытывают нужды.
Во дворце автора ждали с нетерпением, желая увидеть маленькое животное королевы. Загадка была раскрыта, когда среди обезьян, одетых в панталоны, он узнал европейца из Кастилии, который добрался до луны с помощью птиц. На родине испанец едва не попал под инквизицию за заявления о пустоте и равенстве веса веществ. Автору понравились рассуждения товарища, но философские беседы приходилось вести ночью, чтобы избежать любопытных слушателей. Освоив их язык с трудом, автор вызвал волнения в городе, который разделился на две партии: одни видели в нём признаки разума, другие объясняли поведение инстинктом. Спор был вынесен на суд. Во время третьего заседания незнакомец упал к ногам короля, приняв позу, которую жители луны используют для публичных выступлений. Его речь убедила суд признать автора человеком, однако его приговорили к общественному покаянию с требованием отказаться от утверждения, что его луна — настоящий мир, а здешний мир — лишь луна.
Адвокатом автора оказался его Демон, который поздравил с освобождением и отвёл к почтенному старцу. Демон поселился здесь, чтобы воздействовать на сына старца, способного стать вторым Сократом при условии правильного использования знаний и искренности веры. Автор с удивлением заметил, что седые профессора при встрече с молодым человеком проявляли покорность, что Демон объяснил особенностями лунных обычаев: здесь старики проявляют уважение к юным, а родители повинны детям. Автор отметил разумность этих традиций, противопоставляя их земной панике и боязни действий, ошибочно принимаемым за благоразумие, тогда как на луне настоящая безумность заслуживает признания.
Хозяйский сын разделял взгляды Демона. Когда отец пытался возражать, юноша ударил его ногой и приказал принести чучело отца, которое стал бить. Для большего унижения он заставил старика целый день ходить на двух ногах. Автор с юмором воспринял такую педагогику. Боясь рассмеяться, он начал с юношей философский диалог о вечности вселенной и сотворении мира. Молодой человек оказался дерзким атеистом, отвергающим бессмертие души и существование Бога. В разгар спора появился гигант-эфиоп, схватил богохульника и полез с ним в печную трубу. Автор, опасаясь за товарища, ухватился за его ноги, но эфиоп был столь силён, что поднялся за облака с двойным грузом. Появились очертания земли, и при виде Италии стало ясно, что дьявол несёт юношу в ад. Автор в ужасе воскликнул, и внезапно оказался на холме, поросшем вереском. Добрые крестьяне помогли ему добраться до деревни, где собаки, почуяв лунный запах, чуть не растерзали его. Чтобы избавиться от вони, он несколько часов просидел голым на солнце, после чего собаки оставили его в покое. Затем автор отправился в порт, чтобы плыть во Францию. В дороге он размышлял о жителях луны, предположив, что Господь удалил этих по природе неверующих в такое место, где они не могут влиять на других, наказав их за высокомерие и гордыню. Из милосердия никто не был послан к ним с проповедью Евангелия, поскольку они, вероятно, использовали бы его во зло, усугубив тем самым свою кару в загробном мире.
