12 Januari 2011 – Misi perbaikan satelit TS-136A
Astronot Brian Harper (Patrick Wilson) dan Alan Marcus (Frank Fiola), sedang melayang di luar angkasa untuk melakukan perbaikan satelit. Komandan mereka, Jocinda “Jo” Fowler (Halle Berry) berada di dalam pesawat ulang-alik untuk memandu mereka. Brian melihat segerombolan makhluk nanoteknologi (Swarm) yang aneh sedang menuju ke arah mereka. Swarm menghantam satelit. Brian mencoba menyelamatkan Marcus tapi terlepas. Marcus menghilang di luar angkasa, sedang Brian berhasil mencapai pesawat ulang-alik dan terbang kembali ke Bumi.
18 bulan kemudian
Brian dipermalukan oleh NASA setelah laporannya tentang Swarm dianggap sebagai hal yang gila dan tidak masuk akal. Persahabatannya dengan Jo retak dan dia akhirnya bercerai dengan istrinya, Brenda. Dia pindah ke New Jersey mengontrak rumah dengan anaknya, Sonny.
Sepuluh tahun kemudian, Universitas California
KC Houseman (John Bradley), seorang penggila megastruktur menyelinap ke Universitas untuk mengumpulkan informasi mengenai aktivitas bulan yang tidak biasa. Setelah itu, dia kembali ke pekerjaan tetapnya sebagai seorang waitress di sebuah restoran cepat saji. Dia mendapat email mengenai lintasan orbit bulan yang tidak biasa. KC kemudian pergi mengunjungi ibunya Elaine yang menderita Alzheimer.
Jo masih bekerja di NASA, namun kini telah bercerai dengan mantan suaminya, Jenderal Douglas Davidson. Mereka berbagi hak asuh atas putra mereka Jimmy. Jo juga menampung siswa pertukaran pelajar Michelle, yang juga membantunya merawat Jimmy. Di tempat kerja, Jo diberitahu tentang aktivitas aneh yang datang dari bulan.
KC mencoba menghubungi NASA mengenai penemuannya tapi tidak berhasil. Dia kemudian berusaha menemui Brian yang saat ini bekerja di museum. Di berpura-pura menjadi Brian saat dipanggil untuk berbicara di depan anak-anak di museum. Saat Brian muncul, KC mencoba memperlihatkan laporan informasi tentang bulan yang semakin dekat ke Bumi. Tapi Brian menolaknya dan meminta keamanan mengeluarkan KC. Sebelum KC dikeluarkan, dia sempat melemparkan kertas-kertasnya untuk Brian.
Sampai di rumah, Brian mendapat telepon dari istrinya yang melihat Sonny di berita TV. Brenda kini sudah menikah lagi dengan Tom Lopez dan memiliki dua putri, Nikki dan Lauren. Brenda melihat Sonny ditangkap polisi karena mengebut di jalan. Di persidangan, Brian selalu menginterupsi yang membuat hakim menunda sidang selama seminggu. Hal itu membuat Sonny harus ditahan hingga minggu depan. Brian mencoba menyuap hakim untuk mengeluarkan Sonny dengan jaminan, tapi ditolak. Di saat yang sama, informasi mengenai bulan yang keluar dari orbit mulai viral.
Sementara itu di NASA, para ahli memperkirakan bahwa mereka memiliki waktu kurang dari tiga minggu sebelum bulan mulai pecah karena gravitasi bumi dan mengirimkan puing-puing seukuran kota ke seluruh dunia. Mereka juga menunjukkan sebuah gambar yang memperlihatkan sebuah lubang besar di bulan. NASA berencana meluncurkan pesawat ulang-alik dengan tiga astronot untuk pergi ke bulan dan menyelidiki kejadian tersebut.
Di luar angkasa, mereka mengirimkan drone untuk memasuki lubang di bulan. Tiba-tiba, Swarm muncul dari dalam lubang dan mengelilingi pesawat ulang-alik sebelum menerobos masuk dan membunuh para astronot. Melihat hal itu, direktur NASA menyerah dan memilih kembali ke keluarganya. Dia menyerahkan kepemimpinan NASA pada Jo. Kepanikan di seluruh dunia mulai terjadi. Penjarahan dan kerusuhan terjadi di mana-mana.
Brian menemui KC setelah membaca laporan yang pernah dia berikan. Air laut mulai pasang tinggi menimbulkan tsunami yang menyapu kota. Brian sempat menolong KC yang tersapu tsunami.
Jo lalu memeriksa arsip lama NASA dan menemukan rekaman kamera helm Brian saat misi mereka dahulu. Dia bertemu dengan seorang pria bernama Holdenfield, yang bekerja di bagian arsip. Holdenfield mengungkapkan bahwa ada sesuatu saat pendaratan di bulan tahun 1969 yang disembunyikan NASA. Dia juga menyebutkan sebuah proyek bernama Zulu X-Ray 7 yang dihentikan.
Jo mengumpulkan kru untuk misi kedua. Mereka membawa Brian sekaligus KC. Brian masih marah padanya karena merasa dicampakkan setelah misi mereka terakhir. Jo menelepon Jenderal Douglas menanyakan mengenai proyek Zulu X-Ray 7. Douglas menjelaskan bahwa proyek tersebut adalah mengenai pembuatan sebuah bom EMP, lalu mengirimkan bom tersebut ke Jo. Mereka lalu mengambil pesawat ulang-alik dari museum untuk meluncurkannya ke luar angkasa. Sebelum misi dijalankan, Brian meminta agar Sonny dibebaskan dari penjara untuk bergabung dengan Brenda dan keluarganya di bunker Tom di Colorado. Sonny kemudian menuju ke sana bersama Michelle dan Jimmy.
Jo mendapat kenyataan bahwa mesin roket pendorong pesawatnya rusak satu dan tidak memungkinkan untuk terbang mencapai bulan. Dia pun terpaksa membatalkan misi dan menyuruh semua kru untuk pulang ke keluarga mereka masing-masing. KC yang saat itu di depan komputer melakukan perhitungan bahwa mereka akan bisa mencapai bulan dengan mesin tersisa karena bulan sudah dekat dengan bumi. Jo akhirnya memutuskan melanjutkan misi dengan beberapa orang tersisa.
Bulan semakin dekat. Gravitasinya semakin menarik benda-benda di permukaan bumi. Jo dan Brian bertindak cepat untuk segera menjalankan misi. KC diajak untuk bergabung karena dia mendalami mengenai megastruktur. Mereka naik pesawat ulang-alik, saat ketidaknormalan gravitasi menyebabkan gelombang laut besar yang menuju ke arah tempat pesawat lepas landas. Mereka berhasil meluncur tepat sebelum air laut mengenai mereka.
Sonny, Michelle dan Jimmy dalam perjalanan ke Colorado. Dalam perjalanan, mereka dirampok oleh tiga orang dan terpaksa melanjutkan dengan berjalan kaki. Pergeseran gravitasi mencapai mereka. Michelle berhasil memegang Jimmy. Mereka akhirnya berhasil sampai ke tempat Tom.
Jo, Brian dan KC berhasil mencapai bulan. Mereka melepaskan kapsul yang membawa bom EMPnya. Mereka berencana memancing Swarm agar menangkap kapsul lalu meledakkan bomnya. Tapi ternyata remote peledak tidak bekerja saat Swarm menelan kapsulnya. Swarm kemudian menuju pesawat ulang-alik mereka. Brian segera menonaktifkan semua alat elektronik mereka termasuk ponsel KC. Swarm pun berhenti dan kembali memasuki lubang bulan. Mereka akhirnya menyimpulkan bahwa Swarm hanya mengenali alat-alat elektronik. Jo percaya bahwa ada dua entitas terpisah di bulan, dan salah satunya berusaha membantu mereka.
Mereka beralih menumpangi kapsul pendarat dan memasuki lubang. Mereka takjub, ternyata perut bulan merupakan sebuah mesin raksasa yang ditenagai oleh sebuah bintang dwarf. Swarm mendeteksi dan mengejar mereka. Mereka berhasil masuk pangkalan dalam sebuah bangunan tertutup, sementara di luar, Swarm terus menggedor-gedor mencoba masuk. Mereka bertiga tidak sadarkan diri.
Kembali ke Bumi, Sonny, Michelle, dan Jimmy bergabung dengan Tom dan keluarganya di kabin. Mereka berencana melanjutkan perjalanan menuju ke bunker pemerintah di utara. Perampok yang sebelumnya mengambil mobil mereka kembali menghadang mereka. Namun mereka berhasil kabur. Para perampok mengejar sambil menembaki mereka, sementara Bulan kembali menyebabkan anomali gravitasi, yang membuat bongkahan-bongkahan bumi terbang ke udara. Mereka terus berkejaran hingga akhirnya mobil perampok menabrak bongkahan dari rekahan bumi.
Mereka lalu mengenakan masker oksigen saat udara mulai menipis lalu pergi ke gua untuk menyelamatkan diri. Oksigen Nikki hampir habis, jadi Tom memberinya tangki. Mereka berdua mulai tertinggal dari rombongan. Tom mulai kehabisan napas dan memberitahu Nikki untuk terus berjalan sebelum dia akhirnya tewas. Saat Nikki berhasil menyusul yang lain, oksigen mulai kembali. Sonny dan Michelle berusaha mencari Tom, tetapi Sonny tertimpa oleh pohon tumbang. Sementara itu, Presiden Amerika Serikat mengeluarkan perintah agar nuklir diluncurkan ke bulan dalam upaya terakhir untuk menyelamatkan semua orang.
Jo dan KC siuman, tapi mereka tidak menemukan Brian. Brian ternyata bertemu dengan Sistem Operasi bulan, yang memvisualisasikan dirinya sebagai Sonny. OS Bulan kemudian menceritakan padanya bahwa Swarm adalah kecerdasan buatan yang dibuat oleh manusia jaman dahulu. Kecerdasan Swarm kemudian mengambil alih dan membunuh para makhluk biologis penciptanya. Sebelumnya, para manusia membangun banyak bulan energi bintang dwarf di intinya, lalu mengirimkannya ke seluruh penjuru galaksi untuk menciptakan kehidupan baru. Swarm telah melacak semua bulan dan menghancurkannya. Hanya tinggal bulan bumi yang tersisa. Bulan bergeser keluar dari orbit karena struktur internal menjadi tidak stabil karena ulah Swarm. OS memberi tahu Brian bahwa AI dapat dikalahkan, tetapi manusia harus tetap hidup untuk mewujudkannya.
Mereka bertiga akhirnya bertekad untuk menghancurkan Swarm. OS rupanya telah memperbaiki bom dan kapsul mereka. Sementara itu di bumi, Jenderal Douglas membatalkan dirinya untuk meluncurkan nuklir. Dia yakin Jo masih bisa menyelamatkan mereka.
Mereka bertiga terbang keluar dari pangkalan di dalam perut bulan melewati lubang. Brian menjelaskan rencananya bahwa dia akan mengorbankan dirinya untuk tetap tinggal di dalam rover bom, karena remotenya tidak bisa bekerja dari jauh.
Tapi KC akhirnya menggantikannya, mengunci dirinya di dalam rover. Dia merasa Brian dan Jo masih memiliki keluarga, sementara dia akhirnya memiliki kesempatan untuk melakukan sesuatu dalam hidupnya. Brian dan Jo mengucapkan selamat tinggal. Swarm pun mengelilingi rover KC dan menelannya. KC menekan tombol yang meledakkan bom EMP, membunuh Swarm dan mengembalikan rotasi bulan kembali ke posisi yang seharusnya. Brian dan Jo akhirnya berhasil mendarat dengan selamat di bumi karena jaraknya masih dekat.
Brian dan Jo bertemu kembali dengan keluarga mereka. Brian diberitahu tentang nasib Tom, dan berkata pada Brenda bahwa dia adalah pria yang hebat. Dia juga memberi tahu Sonny bahwa KC telah menyelamatkan dunia.
—
Kembali ke bulan, kesadaran KC rupanya telah diambil oleh OS. Dia bertemu OS, yang memvisualisasikan diri sebagai ibunya. KC bergabung dengan OS Bulan dan mereka akan memulai sesuatu yang besar.
