Em Moonfall, por motivos desconhecidos, a Lua sai de sua órbita e passa a se deslocar em direção à Terra, podendo causar uma colisão em breve. A ex-astrounauta da NASA, Jo Fowler (Halle Berry), acha que pode resolver essa situação e impedir que o impacto aconteça, mas apenas um de seus colegas (Patrick Wilson) acredita nela. Em situação de emergência, um grupo de cientistas não especializados no assunto aceita a missão de ir até a Lua e impedir a colisão antes que a vida humana seja extinta. Mas ao chegarem lá, eles percebem que a Lua não é exatamente a pedra gigante orbitando a Terra que acharam que era. Com o mundo à beira da aniquilação, Jo Fowler precisará unir forças a um homem de seu passado e um teórico da conspiração para uma missão impossível no espaço, e salvar a humanidade.