Sam Bell, um astronauta solitário, está prestes a completar uma missão de três anos na face oculta da Lua. Sua tarefa: supervisionar a mineração de Hélio-3, um isótopo essencial para a produção de energia na Terra, resolvendo a crise energética que assola o planeta. Isolado em sua base lunar, sua única companhia é GERTY, uma inteligência artificial com uma interface amigável, mas cuja programação, Sam começa a suspeitar, esconde mais do que revela.

À medida que as semanas finais de sua missão se aproximam, Sam é atormentado por enxaquecas intensas e alucinações perturbadoras. Um acidente inesperado durante uma rotineira coleta de amostras o leva a uma descoberta que desmantela sua percepção da realidade: ele não é o único Sam Bell na Lua. A partir desse ponto, a narrativa se desdobra em um estudo psicológico complexo sobre identidade, memória e a fragilidade da existência.

O encontro com sua duplicata força Sam a confrontar a natureza de sua própria consciência e a questionar a legitimidade de suas lembranças. A busca pela verdade se torna uma corrida contra o tempo, impulsionada pela paranoia e pela crescente desconfiança em relação à omnipresente Lunar Industries, a corporação por trás da missão. Moon explora a ideia de que a busca por um propósito, mesmo em um contexto artificial, pode ser uma forma de trascender a própria existência, mesmo que essa existência seja, em si, uma ilusão fabricada. A solidão, nesse contexto, não é apenas física, mas existencial.