Der Astronaut Sam Bell steht kurz vor dem Ende seines Dreijahresvertrages mit Lunar. Er ist auf dem Mond "Selene", wo er allein als Mechaniker den Abbau von Helium-3 überwacht. Dieses kostbare Gas könnte der Energiekrise auf der Erde ein Ende bereiten. Die Einsamkeit hat ihm Zeit gegeben, sich Gedanken über die Fehler seiner Vergangenheit zu machen. Seinen Job führt er nur noch mechanisch aus und verbringt die meiste Zeit mit den Gedanken an die bevorstehende Rückkehr zur Erde, seine Frau und ihre gemeinsame Tochter. Aber zwei Wochen vor seiner Abreise beginnt Sam seltsame Dinge zu sehen und zu hören. Nachdem eine Routinekontrolle katastrophal schief geht, entdeckt er, dass Lunar ganz eigene Vorstellungen von seinem Verbleib hat. Als dann noch ein Doppelgänger auftaucht und Lunar einen bewaffneten Aufklärungstrupp schickt, wird Sam klar, dass seine Rückkehr zur Erde in Frage steht.
MOON erzählt eine Geschichte voller Paradoxe: Der Film zeigt eine intime Charakterstudie im weitläufigen Setting des Weltalls; ein Drei-Personen-Stück mit nur einem Schauspieler; und eine Vision der Zukunft, die sich aus vergangenen Science-Fiction-Klassikern speist. Außerdem ist MOON ein ganz irdisch spannender Thriller, der auf dem Mond stattfindet.