Повествование ведётся от лица учёного-ботаника Леонида Артемьева.
Главы 1-6[ред.]
Артемьев хочет послушать радио, но приёмник испорчен, и он просит Антонину починить его. После этого случая Артемьев и Антонина часто встречаются.
Бородатый человек говорит Артемьеву, что Антонина знакома с Палеем. Этот бородатый живёт в городе КЭЦ. Антонина собирается ехать на Памир, и ревнивый Артемьев едет вместе с ней.
Врач говорит, что и город, и искусственный спутник-"звезда" называются "КЭЦ" по инициалам Циолковского. Антонина узнаёт, что фамилия бородатого - Евгеньев, и он летит на "звезду КЭЦ". Артемьев предлагает ей вернуться домой, но Антонина хочет лететь за Евгеньевым. Она объясняет, что дело не в любви. Палей физик, они работали вместе. Но Палей уехал, а Антонина без его записей эту работу делать не могла.
Главы 7-14[ред.]
В ракете жарко. Бортмеханик Филипченко дает Антонине и Артемьеву плащи, которые защищают от солнца.
"Звёздный житель" Крамер выводит Антонину и Артемьева из ракеты. Он рассказывает, что раньше ракетодром был прямо на "звезде Кэц", но однажды ракета плохо причалила и испортила оранжерею.
В столовой врач Анна Игнатьевна кормит Антонину и Артемьева овощами и фруктами. Антонина говорит, что Евгеньев отправился в межпланетное путешествие. Они могут связаться с ним по радио.
Крамер показывает Артемьеву библиотеку. Библиотекарь Эльза Нильсен объясняет, что фильмы занимают меньше места, чем книги. Артемьев смотрит последние известия. Военные корабли используются в мирных целях, пустыни превращаются в сады, а про выведение новых сортов культурных растений он и сам знает. В другом фильме показывают полярную тундру, освещенную искусственным северным сиянием. В третьем фильме изучают атмосферное электричество.
Директор Пархоменко рассказывает Артемьеву, что ботаник Шлыков и его помощник Крамер следят за растениями, а есть ещё и животные. Пархоменко хочет организовать экспедицию на луну. Он предлагает Артемьеву познакомиться с астрономом Тюриным.
Крамер и Артемьев летят в обсерваторию. Микки, слуга Тюрина, говорит, что астроном привязан шнурами к стенам и похож на паука. Свои мысли он записывает на диктофон - так быстрее. Кроме того, открытий "на двадцать Галилеев хватит, так как не человек красит место, а место человека". Циолковский сделал, чтобы любой астроном мог изучать планеты и звёзды.
Артемьев спрашивает, "нужен ли биолог при путешествии на луну". Тюрин отвечает, что на луне могут быть газы и растения. Анна Игнатьевна говорит Артемьеву, что Тюрин "ведёт невозможный образ жизни". Она считает, что при отсутствии силы тяжести мышцы атрофируются, да и космические лучи вредны.
Артемьев возвращается к Антонине. Они временно разделятся - он полетит на луну, а она будет изучать сверхпроводимость. Именно этим Антонина и занималась с Палеем, но он исчез. Артемьев опять ревнует.
Анна Игнатьевна следит за тренировками Тюрина. В отличие от Микки, он устает от увеличения силы тяжести. Проходит несколько дней. Крамер учит Артемьева "летать в межпланетном пространстве", а Тюрин, по словам Анны Игнатьевны, "в полной лунной форме".
Главы 15-16[ред.]
Антонина отправляется в "лабораторию мирового холода". Артемьев и Тюрин летят на луну. Геолог Соколовский, который руководит ими, говорит, что Евгеньев собирает метеориты. Тюрин считает, что эти метеориты - остатки второй луны. Возможно, кольцо Сатурна - "тоже погибший спутник, раздробленный на куски".
Соколовский рассказывает о своей "охоте за астероидами". А луну следует окружить "искусственной атмосферой под стеклянным колпаком, чтобы умерить жар солнца". Тюрин показывает Артемьеву "каждый камень на поверхности луны". Кратеры названы "именами великих людей и святых", как пел Высоцкий, а горы - в честь земных.
Путешественники "прилуняются". С ракеты спускают "летающий автомобиль". Соколовский рассказывает, что назвал месторождение драгоценных камней "морем Изобилия", а на луне бывают "лунотрясения", связанные с разницей температур. Он предлагает "лететь в океан Бурь, а оттуда на другую сторону луны, которую еще не видел ни один человек".
Артемьев удивляется, откуда на луне "моря, в которых нет ни капли воды", да еще с такими странными названиями. Тюрин объясняет, что эти названия условные, а для гор и "морей" обратной стороны луны придумывает новые. В "океане Бурь" Артемьев замечает "решетчатую тень, как от развалившейся корзины". Он думает, что это кости или кораллы. Возможно, когда-то на луне обитали животные. Пока Тюрин ищет фотоаппарат, Соколовский находит "скалы из красного порфира и базальта разнообразных красок и оттенков".
Тюрин сообщает, что они едут на обратную сторону луны. Артемьев разочарован, что она "такая же, как видимая, только с другими морями и горами". Одно море он называет именем Антонины. Тюрин тут же переименовывает его в "море Антония, ближайшего помощника Цезаря". Артемьев замечает "скопление камней и скал в виде прямого угла". Одно из теневых "морей" имеет температуру больше остальных, и Тюрин называет его "морем Зноя". Другое "море", бугристое, Артемьев называет "морем Тряски".
Путешественники замечают "грандиозную стену гор". Соколовский называет их "Тюриньеры". За горами начинается большая трещина. Тюрин думает, что может произойти с луной - "уйдёт в мировое пространство", "будет притянута землей и упадет на неё" или "расколется на две полулуны", после чего "вокруг земли образуется светящийся пояс-кольцо из мелких кусков".
Соколовский предлагает спуститься в трещину. Артемьев замечает "струю пара или газа" и бросает туда камень. Начинается обвал. Соколовский выводит "летающий автомобиль" из трещины и останавливает на "огромном уступе, где без труда мог бы поместиться целый ракетодром". Тюрин называет эту струю "гейзером Артемьева".
Чтобы отдохнуть, путешественники "расходятся в разные стороны, не отходя слишком далеко друг от друга". Артемьев идёт в ущелье с зелёными пятнами на красных камнях. Он думает, что эти пятна - "лунные мхи". Попав в "лабиринт каньонов", Артемьев боится умереть от удушья и голода - "мох так же несъедобен, как песок, а вся атмосфера, которая даёт возможность дышать и жить, заключена в небольшом баллоне". Движущийся камень Артемьев принимает за черепаху. Потом он падает и теряет сознание от усталости.
Придя в себя, Артемьев не понимает, как он попал в "летающий автомобиль". Соколовский объясняет, что "камнями разбиты оконные стекла, и лунное путешествие придется закончить". Артемьев показывает путешественникам "ползучие мхи, как трофей, принесенный из страны снов". "Экспедиция на луну, при всей её кратковременности, дала богатые научные результаты".
Главы 17-23[ред.]
Анна Игнатьевна довольна, что Тюрин "помолодел, прямо женихом стал". Теперь он собирается на Марс и Венеру. Артемьев говорит с Антониной по радио. Она рассказывает о сверхпроводимости, а про бородатого и Палея не успевает.
Пархоменко отправляет Артемьева к Шлыкову. Аэролог Кистенко просит Артемьева отправить "лунные мхи" на землю. В кабинете Шлыкова много растений, а сам Шлыков похож на гусеницу. Он говорит, что зоолог Фалеев разводит животных.
В оранжерее Артемьев удивляется, что без силы тяжести растения развиваются иначе - "земные карлики превратились в гигантов, и, наоборот, земные древесные великаны превратились в карликов". Там работают девушки. Крамер знакомит Артемьева с одной из них, Зориной.
Крамер и Артемьев купаются в "невесомой ванне". Крамер всё время кричит и не разрешает Артемьеву выдавать работы Шлыкова за свои. Артемьев не понимает, что происходит с Крамером.
В зоолаборатории Фалеев связывает все мутации животных с космическими лучами и отсутствием тяжести. Например, говорящая собака Джипси лает, когда хочет сказать "да", и рычит, когда хочет сказать "нет". Рядом с такими животными он начинает сходить с ума. Вернувшись к Шлыкову, Артемьев рассказывает, что Фалеев оглупел, а Крамер сердится, когда Зорина общается с другими. Шлыков объясняет, что у Фалеева "акромегалия", а у Крамера ревность.
Артемьев разговаривает с Антониной по телефону. Она сообщает, что бородатый "летает где-то между Марсом и Юпитером". Инженер Карибаев рассказывает, что на заводе получают электричество из солнечной энергии. Еще он говорит, что однажды "маленький метеорит, немного больше песчинки, пробил листья растений и плечо одной сотрудницы, эта сквозная рана даже не потребовала перевязки".
Артемьев работает в зоолаборатории, изучая мух "дрозофил" и их мутации. Они с Джипси дружат, а Крамер не любит собак, поэтому Джипси отвечает тем же.
Фалеев становится некрасивым. Артемьев и Зорина работают вместе. Крамер выгоняет Артемьева. Джипси остается с Зориной. Крамер начинает ее душить. Артемьев вызывает тревогу. Крамера связывают и отправляют к Пархоменко, который одновременно директор и судья. "Этот первый хулиганский поступок будет и последним".
Артемьев предлагает вызвать Анну Игнатьевну, чтобы осмотрела Фалеева и Крамера. Она говорит, что космические лучи довели "одного до сумасшествия, другого до уродства". Работать надо в "изоляционной" одежде, чтобы не было таких мутаций, как у растений и животных.
Главы 24-26[ред.]
На день "основания звезды" "небесные колонисты" возвращаются. Они подводят итоги "звёздного года", рассказывают, как выглядит кольцо Сатурна, астероиды.
Пархоменко и Зорина втайне от Крамера устраивают свидание. Антонина рассказывает, что изобрела прибор, который "отодвигает корабль в сторону", чтобы избежать встречи с астероидом. Пархоменко расхваливает Тюрина, Кистенко, Соколовского, Евгеньева.
Бородатый выходит на сцену, и Антонина по голосу определяет, что это Палей. Он рассказывает, что был влюблён в Антонину, но теперь у него есть жена, Соня Евгеньева. А все записи хранятся у его сестры, и "не надо было летать по небу, чтобы получить их". Антонина отвечает, что у неё тоже есть жених. Она собирается домой, чтобы работать дальше, а Артемьев, наконец, прекращает ревновать и остаётся делать "величайшие открытия в биологии".
Артемьев и Зорина работают с животными. Фалеев выздоравливает. Приходит Антонина. Артемьев показывает ей Джипси и говорит, что "изоляционная одежда сохранит мое тело, мой мозг и мою любовь к тебе".
Вернувшись домой, Артемьев смотрит на луну - "это уже не далекий недоступный спутник земли". Пархоменко и Зорина женятся. Крамер выздоравливает. Палей работает "главным инженером-конструктором и облётчиком ракет". Тюрин "решительно не хочет стариться".
Артемьев, Крамер и Шлыков пишут книгу "Биологические опыты на звезде Кэц". У Палея и Сони рождается дочь, у Артемьева и Антонины – сын. Не исключено, что рано или поздно они тоже поженятся.