Während eines Aufenthaltes auf dem Lande lernt der erfolglose Geschäftsmann und Theaterautor Bedford den eigenwilligen Wissenschaftler Cavor kennen. Cavor entwickelt in seinem Haus ein neues Material, auf das die Schwerkraft nicht wirkt; er gibt ihm dem Namen Cavorit. Cavor und Bedford, der Ich-Erzähler des Romans, bauen in Cavors Haus eine große Hohlkugel, in der sie zum Mond fliegen.

Als sie den Mond erreichen, herrscht dort Nacht. Auf der Mondoberfläche liegt Schnee. Vom Inneren der Kugel aus beobachten die Reisenden, wie die Sonne aufgeht. Nach Sonnenaufgang schmilzt der Schnee, Sträucher und große Pilze schießen aus dem Boden. Als sie die Kugel verlassen und die Landschaft erkunden, verirren sie sich.

Auf der Suche nach der Kugel stoßen sie auf eine Herde Mondkühe, die von ameisen-ähnlichen Mondmenschen bewacht werden. Die Mondmenschen werden von Cavor und Bedford als Seleniten bezeichnet (nach der griechischen Mondgöttin Selene). Hungrig geworden essen Cavor und Bedford Pilze, die einen Rausch herbeiführen. Während des Rausches begegnen sie einer Gruppe von sechs Seleniten, die sie gefangen nehmen und ins Innere des Mondes verschleppen. Bedford verliert das Bewusstsein.

Als Bedford erwacht, befindet er sich mit Cavor in einer kleinen Kammer. Nachdem die Seleniten ihren Gefangenen Essen gebracht haben, führen sie sie durch Höhlen, in denen seltsame Maschinen stehen. Auf dem Boden fließen blauleuchtende Bäche, die für Licht sorgen. Als sie einen dunklen Abgrund erreichen, wollen die Seleniten ihre Gefangenen zwingen, eine Brücke zu betreten, die ins Dunkel hineinführt. Bedford und Cavor weigern sich, weiterzugehen. Im darauffolgenden Kampf tötet Bedford drei Seleniten. Bedford und Cavor fliehen.

Durch ein Loch in der Decke gelangen sie in eine Höhle, auf deren Boden leuchtende Pilze wachsen. Gelangweilt wirft Cavor Pilze durch das Loch, dadurch bringt er die Seleniten auf ihre Spur. Durch einen Schacht klettern Cavor und Bedford in eine Höhle ...