En diciembre de 1974, (dos años después de la misión Apolo 17) la tripulación de la cancelada misión Apolo 18 es informada de que ahora procederá como una misión de alto secreto del Departamento de Defensa (DoD), disfrazada de carga masiva clasificada del DoD. El comandante Nathan Walker, el teniente coronel John Grey y el capitán Ben Anderson son lanzados, de noche, hacia la Luna para colocar detectores que alerten a los Estados Unidos de cualquier ataque inminente con misiles balísticos intercontinentales de la URSS.

Grey permanece en órbita a bordo del módulo de mando Apolo Freedom mientras Walker y Anderson aterrizan en el Polo Sur de la Luna en el módulo lunar Apolo Liberty, el 25 de diciembre. Mientras colocan el detector PSD5, la pareja toma muestras de roca que Anderson describe como una sensación "extraña". En el fondo, la cámara capta una roca que se mueve en un cráter cercano. Tras regresar a Liberty, la pareja oye ruidos en el exterior y la cámara del sensor de movimiento capta una pequeña roca moviéndose cerca. Houston afirma que los ruidos son interferencias del detector de ICBM. Al día siguiente, Anderson encuentra una muestra de roca en el suelo del Liberty a pesar de haber asegurado las muestras. Durante el montaje del detector de ICBM, Anderson descubre unas huellas que les llevan a un módulo de aterrizaje soviético LK manchado de sangre y abandonado (pero todavía funcional). Anderson explora un cráter cercano y describe el suelo como "más blando". En el interior del cráter, encuentra un cosmonauta muerto y un casco espacial roto. Walker pregunta a Houston sobre la presencia soviética, pero le dicen que sólo debe continuar con la misión. Mientras duermen, Walker se despierta por ruidos extraños y algo que choca con el módulo de aterrizaje.

Al día siguiente, la pareja descubre que la bandera que habían colocado ha desaparecido. Tras completar su misión, el dúo se prepara para partir, pero el lanzamiento se interrumpe cuando el Liberty sufre violentas sacudidas. Una inspección revela grandes daños en el módulo. Walker encuentra la bandera destrozada en las proximidades, la cámara del sensor de movimiento también ha desaparecido y el vehículo está volcado. A continuación, encuentra huellas no humanas en el exterior del Liberty, y las cita como prueba de vida extraterrestre. Walker siente que algo se mueve dentro de su traje espacial y se horroriza cuando una criatura parecida a una araña se arrastra por el interior de su casco; desaparece de la vista y Anderson lo encuentra inconsciente fuera de Liberty. Más tarde, Walker niega los hechos. Se descubre una herida en su pecho y Anderson extrae una roca lunar incrustada en él. Tras extraer la roca, Walker la rompe con un martillo, contaminando la nave. La pareja se ve incapaz de contactar con Houston o Grey debido al aumento de los niveles de interferencia de una fuente desconocida.

Anderson especula que el verdadero propósito del "dispositivo de alerta ICBM" es vigilar a los alienígenas, y que es la fuente de las interferencias. Anderson y Walker intentan apagar el dispositivo, sólo para descubrir que ha sido destruido, con las mismas huellas no humanas que lo rodean. Walker muestra signos de una infección en desarrollo, como decoloración de las venas (posiblemente causada por la necrosis) y ojos inyectados en sangre, y se vuelve contencioso y paranoico. Las cámaras de la misión captan una muestra de roca moviéndose en el interior de Liberty, revelando que los alienígenas están camuflados como rocas lunares. Cada vez más alucinado, Walker intenta destruir las cámaras del interior de la Liberty con un martillo, pero accidentalmente daña otros controles, provocando la despresurización de la Liberty. Al darse cuenta de que el módulo de aterrizaje soviético LK es su única fuente de oxígeno, la pareja viaja hasta el módulo de aterrizaje LK en su vehículo lunar. Walker se agita, creyendo que no debe abandonar la Luna por el riesgo de propagar la infección a la Tierra, y hace que el rover se estrelle. Al estrellarse el rover, la cámara capta las grandes rocas espaciales, a las que les empiezan a crecer patas similares a las de las arañas.

Anderson se despierta y sigue a Walker hasta un cráter. Las criaturas arrastran a Walker hacia el cráter. Anderson le persigue, pero se enfrenta a los alienígenas, y huye al LK soviético y utiliza su radio para contactar con el Control de Misión de la URSS, que le conecta con el Departamento de Defensa. El subsecretario informa a Anderson de que no pueden permitirle volver a la Tierra, admitiendo que están al tanto de la situación y que creen incorrectamente que él también está infectado. Anderson consigue ponerse en contacto con Grey y hacen los arreglos necesarios para que Anderson regrese a la Libertad. Anderson prepara el módulo de aterrizaje para el lanzamiento, pero Walker llega, revelando que ha sobrevivido al encuentro con los alienígenas y exigiendo que le dejen entrar. Sin embargo, ahora está completamente psicótico y cuando Anderson se niega a dejarle entrar, intenta romper la ventana del módulo de aterrizaje con un martillo. Antes de que Walker pueda entrar en el vehículo, es invadido por rocas alienígenas que le rompen el casco y le matan; su cuerpo es arrastrado por una roca alienígena mucho más grande.

Anderson se lanza, pero el Departamento de Defensa le dice a Grey que Anderson está infectado, y le ordena que aborte el rescate o se cortará la comunicación terrestre (sin la cual el CSM no podrá volver a la Tierra). Los motores del módulo de aterrizaje se apagan al entrar en órbita; mientras está en caída libre, pequeñas rocas dentro de la nave flotan en el aire, algunas de las cuales se revelan como rocas alienígenas. Anderson es atacado e infectado por las rocas alienígenas, lo que le impide controlar el vehículo. Grey advierte a Anderson de que se está acercando demasiado rápido, y la película termina abruptamente, dando a entender que el LK y el Freedom colisionaron.

La película concluye con una declaración en la que se da el destino "oficial" de los astronautas, describiéndolos como muertos en varios accidentes de avión que dejaron sus cuerpos irrecuperables. Un epílogo señala que muchos de los cientos de muestras de rocas devueltas de las anteriores misiones Apolo, entregadas a los dignatarios, han desaparecido.