Moonfall, 2022
12 января 2011 года. Команда астронавтов во главе с командиром Джосиндой "Джо" Фаулер (Хэлли Берри) проводит техническое обслуживание на станции по ремонту спутников. Друг Джо, астронавт Брайан Харпер (Патрик Уилсон), замечает необычный рой нанотехнологических существ, направляющийся к ним. Рой врезается в спутник. Брайан пытается спасти своего друга, Алана Маркуса (Фрэнк Фиола), но Брайана отбрасывает назад роем, и Маркус погибает вместе с другим астронавтом. Брайану удается добраться до шаттла Джо и улететь обратно на Землю.
Полтора года спустя Брайан попадает в немилость НАСА после того, как его сообщения о нападении Роя были списаны на бред. Его дружба с Джо разлаживается, и он разводится со своей женой Брендой (Каролина Бартчак). Она переезжает в Джерси с их сыном Сонни, а он отдаляется от отца.
Десять лет спустя мегаструктурист Кей Си Хаусман (Джон Брэдли) проникает в Калифорнийский университет, чтобы собрать информацию о необычной лунной активности. Он идёт на свою обычную работу в ресторан быстрого питания, где получает подтверждение о странных показаниях, полученных с орбитальной траектории Луны. Позже Кей Си навещает свою мать Элейн (Кэтлин Фи), которая страдает болезнью Альцгеймера.
Джо по-прежнему работает в НАСА, но теперь разведена со своим бывшим мужем, генералом Дугласом Дэвидсоном (Эме Иквуакор). Они совместно опекают своего сына Джимми (Зайн Мэлони), а Джосинда живёт со студенткой по обмену иностранцами Мишель (Келли Ю), которая также заботится о Джимми. На работе Джо сообщают о странной активности, исходящей от Луны.
Кей Си притворяется Брайаном, которого позвали выступить на экскурсии в музее. Когда Брайан действительно появляется, Кей Си пытается представить свои показания и информацию о том, что Луна приближается к Земле, но Брайан отвергает его и заставляет охрану вывести Кей Си, но не раньше, чем Кей Си бросает Брайану свою информацию для прочтения.
Брайан теперь живёт один, а Бренда снова вышла замуж, в этот раз за Тома Лопеса (Майкл Пенья) и имеет от него двух дочерей, Никки (Ава Вайс) и Лорен (Хейзел Ньюджент). Бренда звонит Брайану, потому что в новостях показывают Санни (Чарли Пламмер), за которым гонится полиция. После его ареста Брайан пытается прийти на слушание дела об освобождении под залог, но из-за того, что он перебивает его и адвокат говорит, что "деньги не главное", судья откладывает слушание на неделю, вынуждая Санни провести это время в тюрьме. Пока Брайан пытается подкупить судью, чтобы тот выпустил Санни, начинают поступать сообщения о сходе Луны с орбиты.
По оценкам коллег Джо, у них осталось менее трех недель до того, как Луна начнёт распадаться на части и посылать обломки размером с город, которые будут разлетаться по всему земному шару. НАСА организует запуск шаттла с экипажем из трех астронавтов, чтобы отправиться на Луну и исследовать это явление. Астронавты сталкиваются с Роем, и он окружает шаттл, а затем прорывается внутрь и убивает астронавтов, которых видят в НАСА. На планете начинается паника, мародерство и беспорядки. Вскоре на Калифорнию обрушивается цунами, и Брайану приходится помогать Кей Си, когда его захлестывает вода.
После того, как Джо просматривает кадры с шаттла и находит яму, вырытую в полу кратера, она роется в старых архивах НАСА и находит запись со шлем-камеры скафандра Брайана во время первой неудачной миссии. Её находит человек по имени Холденфилд (Дональд Сазерленд), который работает в архивах и предполагает, что есть что-то о высадке на Луну в 1969 году, что НАСА скрывает.
Джо пытается собрать команду для второй миссии, и её приводят на встречу с Кей Си и Брайаном, последний всё ещё злится на неё после того, как считает, что она бросила его под автобус после их последней миссии. Они узнают об ЭМИ, которое было создано для уничтожения Роя, и берут шаттл из музея, чтобы попытаться запустить его в космос. Перед началом миссии Брайан организует освобождение Санни из тюрьмы, чтобы тот смог присоединиться к Бренде и ее семье в домике Тома в Колорадо. К нему присоединяются Мишель и Джимми, которые едут туда на машине.
Поскольку очередная катастрофа неминуема, Джо и Брайан быстро принимают решение о начале миссии, а Кей Си приглашают присоединиться к ним, поскольку он знает о мегаструктурах больше, чем они. Все они поднимаются на борт шаттла, как раз в тот момент, когда из-за гравитационной аномалии на город надвигается огромная океанская волна. Экипаж спускается на воду до того, как вода успевает их накрыть.
Санни общается с Мишель и Джимми во время поездки в Колорадо, при этом Санни разговаривает с Дагом, чтобы заверить его, что Джимми в безопасности. По дороге их грабит трио воров, и они вынуждены идти пешком. В результате очередного гравитационного сдвига людей подбрасывает в воздух, но Мишель держится за Джимми. В конце концов они добираются до дома Тома, но не раньше, чем сумасшедшая женщина с пистолетом открывает по ним огонь, решив, что они незваные гости.
В космосе троица добирается до Луны и обнаруживает, что её окружает Рой. Они помещают бомбу туда, где Рой может её схватить, но замечают, что он останавливается, не дотрагиваясь до бомбы. Рой продолжает атаковать их шаттл, пока они не выводят из строя его электронику. Экипаж определяет, что Рой намеренно избегает электроники. Джо считает, что на Луне находятся два отдельных существа, и одно из них пытается им помочь.
Трио добирается до лунной базы, где Брайана встречает Операционная система Луны (далее — ОС), которая принимает облик Санни в детстве и говорит с ним. ОС объясняет, что Рой — это искусственный интеллект, созданный древними людьми. Рой обрёл собственный разум и убил своих создателей, после чего сформировал базу на Луне, питаясь энергией белого карлика в ядре. Луна сместилась с орбиты, потому что внутренняя структура дестабилизировалась. ОС сообщает Брайану, что искусственный интеллект можно победить, но для этого должен остаться человек.
Вернувшись на Землю, Санни, Мишель и Джимми присоединяются к Тому и его семье, которые вынуждены эвакуироваться. Воры пытаются ограбить их, но Санни и Том отбиваются от них с помощью оружия. Когда они пытаются уехать, воры преследуют их и пытаются сбить с дороги. Луна вызывает очередной гравитационный сдвиг, в результате которого куски земной массы начинают отрываться от земли. Главарь воров оказывается раздавлен обломками, а двое оставшихся воров разбивают свою машину о кусок массы после того, как Санни удаётся съехать с пандуса в безопасное место. Тем временем президент Соединенных Штатов отдаёт приказ о запуске ядерных бомб на Луну в последней попытке спасти всех.
Санни, Том и все остальные надевают кислородные маски, так как воздух начинает истощаться, и пробираются в пещеру, чтобы спастись. У Никки заканчивается кислород, и Том отдает ей свой баллон. Он начинает терять дыхание и говорит Никки, чтобы она просто продолжала идти, пока он не умер. Когда Никки добирается до своей семьи, кислород начинает возвращаться, и Санни с Мишель пытаются найти Тома, но Санни сбивает с ног падающее дерево, которое пригибает его к земле.
Трио на Луне предпринимает последнюю попытку доставить бомбу к Рою. Даг держит своих коллег на мушке, чтобы не дать им взорвать Луну, так как верит, что Джо ещё может их спасти. Когда троица приближается к бомбе, Брайан пытается пожертвовать собой, чтобы остаться и доставить бомбу, но вместо него это делает Кей Си. Он считает, что у Брайана и Джо есть семьи, к которым они должны вернуться, а у него есть шанс наконец-то что-то сделать со своей жизнью. Брайан и Джо прощаются с ним, а Рой окружает капсулу Кей Си, прежде чем он взрывает бомбу, уничтожая Рой и возвращая Луну на её законное место. Брайан и Джо оказываются достаточно близко к Земле, чтобы улететь на капсуле.
Брайан и Джо добираются до Земли, чтобы воссоединиться со своими семьями. Брайану рассказывают о судьбе Тома, и он говорит Бренде, что тот был великим человеком. Он также говорит Санни, что Кей Си спас мир.
Вернувшись на Луну, сознание Кей Си загружается на базу. Он встречается с ОС, которая принимает облик его матери. Кей Си сообщает, что они собираются начать что-то важное.