Mike Goldwing, un valiente y decidido niño de 12 años, es hijo y nieto de astronautas de la NASA. Su abuelo Frank Goldwing es un astronauta retirado, antes venerado pero ahora olvidado, que vive sus días aislado de su familia en una residencia para antiguos astronautas tras perder su gran oportunidad de volar a la luna con Neil Armstrong y Buzz Aldrin como parte de la misión Apolo XI.

Un excéntrico multimillonario tejano llamado Richard Carson III urde un plan para volar a la Luna, robar los vastos recursos minerales de la misma (Helio-3) y destruir la bandera estadounidense colocada por el equipo del Apolo XI para demostrar que Estados Unidos nunca había visitado la Luna y que él fue la primera persona en llegar a ella.

El Presidente de los Estados Unidos ordena a la NASA que planifique otro vuelo espacial a la Luna para derrotar a Carson, para que no reescriba la historia, y al mismo tiempo impedir que Carson obtenga el Helio-3 de la Luna, que puede ser utilizado tanto como una nueva y poderosa fuente de energía como un arma de destrucción masiva para amenazar a cualquier ciudad que se niegue a comprar esta energía.

Al conocer la noticia, Carson contrata a un saboteador para que sabotee la misión de la NASA. En primer lugar, durante una maniobra de prueba, el saboteador, haciéndose pasar por un camarógrafo, acciona un interruptor y abre la puerta del combustible del módulo de aterrizaje de prueba, vaciando el combustible y haciendo que se estrelle, hiriendo al padre de Mike, Scott. Afortunadamente, Mike y sus amigos consiguen salir ilesos. Scott culpa a Frank por no repostar el tanque y por su fractura de pierna, a pesar de las protestas de su mujer.

Mike decide ir a la luna como polizón en un cohete Saturno V rejuvenecido con el fin de deshacer la "maldición Goldwing". Mike, Marty y Amy intentan colarse en la zona de lanzamiento, pero Marty es atrapado tras ser atacado por caimanes en los pantanos que rodean el Complejo de Lanzamiento 39 del Centro Espacial Kennedy.

De repente, el lanzamiento es saboteado por el mismo saboteador de antes, y esto hace que el cohete se lance mucho antes de lo previsto. Carson supone que, al lanzar el cohete antes de tiempo, no habrá nadie en el cohete para tripularlo, lo que significa que no habrá nadie en la Luna para impedirle extraer el poderoso Helio-3.

Acompañado por su abuelo, Amy, y Marty (en el centro de control en la Tierra), y su inteligente lagarto llamado Igor, Mike se lanza a la luna para capturar la bandera y reunir a su familia. Carson intenta destruir la nave espacial en la que viaja el trío. El trío, junto con Igor, arriesgando sus vidas en la luna, con la ayuda de Marty en la Tierra, capturan la bandera para revelarla como prueba de que el hombre ha pisado la luna a todo el mundo. Amy conecta la cámara de su teléfono a la antena mientras Carson les revela sus malvados planes, y en consecuencia al mundo. Al darse cuenta de que seguiría ganando si volviera a la Tierra, lo detienen saboteando sus minas futuristas de Helio-3.

Mike se entera incluso de que Frank había sido descartado de la primera misión porque había cogido la varicela de su hijo Scott. Al principio, Frank culpó a Scott por haber perdido una oportunidad tan grande de ir al espacio, pero luego se dio cuenta de que no era culpa de Scott y que él era un fracasado por culpar a su propio hijo. Sintiéndose culpable por ello, Frank decidió abandonar a su familia, declarando que Scott estaría mejor sin él.

Después de plantar la bandera en su lugar, todos regresan a salvo a la Tierra con los planes de Mike de reunir a su familia y romper la "maldición Goldwing" cumplidos, ya que Frank y Scott se han reconciliado y han hecho las paces entre ellos por primera vez en muchos años.

En una escena post-créditos, se ve a Carson a la deriva por el espacio con su ayudante Steve Gigs, que se revela como un androide creado por el otro ayudante de Carson, Bill Gags, al que había desintegrado accidentalmente cuando probó su arma Helium-3. Mientras Carson perdona a Gigs por haber matado a Gags, se siente molesto por un robot que funciona con una batería inagotable que había utilizado en la luna (aunque la propia invención de la batería fue suya).