Повествование ведётся от лица научного сотрудника Артемьева.
Главы 1-2
Артемьев хочет послушать радио. Но приёмник испорчен, и он просит Антонину починить его. После этого случая Артемьев и Антонина часто встречаются.
Однажды какой-то бородатый человек говорит Артемьеву, что Антонина знакома с неким Палеем. Этот бородатый живёт на Памире, в городе КЭЦ. Артемьев рассказывает Антонине про бородатого. Она собирается ехать на Памир, а ревнивый Артемьев бросает работу и едет вместе с ней.
Из Ленинграда в Москву Антонина и Артемьев летят обычным самолетом, в Ташкент реактивным аэропланом, в Андижан едут поездом на воздушной подушке, а оттуда на Памир — дирижаблем. И всё это происходит так быстро, что Артемьев не успевает рассмотреть обстановку.
Главы 3-4
От усталости и разреженного воздуха Артемьев хочет спать, но Антонина идет вместе с ним искать бородатого.
С неба спускается ракета. Врач говорит, что и город, и искусственный спутник-«звезда» называются КЭЦ по инициалам К. Э. Циолковского. Бородатый едет на машине. Узнав его, Антонина и Артемьев садятся в другую машину и едут за ним. Ракета улетает, но в толпе остаются одни безбородые.
Главы 5-6
Антонина узнаёт, что фамилия бородатого — Евгеньев, и он летит на «звезду КЭЦ». Артемьев предлагает ей вернуться домой и ждать, но Антонина хочет лететь за Евгеньевым. Ревнивый Артемьев боится и покидать землю, и отпускать Антонину.
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. Пока Артемьев отдыхает, Антонина записывает себя и его на «звезду КЭЦ» как новых сотрудников.
Перед отлётом Артемьев и Антонина купаются, чтобы не занести в ракету лишних микробов.
Главы 7-8
В ракете жарко, и от большой скорости увеличивается вес. После вылета из атмосферы перегрузка сменяется невесомостью. Бортмеханик Филипченко даёт Антонине и Артемьеву плащи, которые защищают от солнца.
«Звёздный житель» привязывает Антонину и Артемьева к себе и выводит из ракеты, чтобы не улетели в «мировое пространство». Фамилия «звёздного жителя» — Крамер. 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, выращенными на «звезде КЭЦ». Антонина говорит, что Евгеньев отправился в межпланетное путешествие. Они за ним не полетят, но могут связаться по радио. Радист сообщает, что Евгеньев собирает мелкие астероиды.
Главы 9-10
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, освещённую искусственным северным сиянием. Это сияние позволяет выращивать на севере плодовые деревья и кустарники.
В третьем фильме изучают атмосферное электричество. Если его собрать и использовать, получится «вечный двигатель» (Перельман называет это иначе — «даровой двигатель»).
Просмотрев фильмы, Артемьев понимает, что такое научно-технический прогресс.
Главы 11-12
Директор Пархоменко рассказывает Артемьеву, что его привезли на «звезду КЭЦ» больным. Ещё он говорит, что ботаник Шлыков и его помощник Крамер не успевают следить за растениями, а ведь есть ещё и животные.
Пархоменко хочет организовать экспедицию на луну. Он предлагает Артемьеву познакомиться с астрономом Тюриным, который работает в обсерватории. То же говорит и Крамер. Но Тюрин имеет «философию движения». Пархоменко запрещает философствовать, а Крамер — противоречить. Артемьеву «придётся быть дипломатом».
Крамер и Артемьев летят в обсерваторию. Их встречает Микки, слуга Тюрина. Он говорит, что астроном «прирос к телескопу и не отрывается даже для еды».
Тюрин привязан шнурами к стенам. Артемьев говорит, что он похож на паука. Тюрин свои мысли записывает на диктофон — так быстрее. А большие телескопы на земле не делают из-за силы тяжести. Кроме того, открытий «на двадцать Галилеев хватит, так как не человек красит место, а место человека». Циолковский сделал так, чтобы любой астроном мог изучать планеты и звезды.
Тюрин начинает говорить о философии, но Артемьев спрашивает, «нужен ли биолог при путешествии на луну». Тюрин — старый холостяк, поэтому считает, что его семья — «все трудящиеся мира». Он говорит, что на луне могут быть газы и растения. Артемьев думает, что «творец философии движения неподвижно висит, но недостаток движения тела заменяется интенсивным движением мысли».
Главы 13-14
Крамер возвращает Артемьева на «звезду КЭЦ». 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 устаёт от увеличения силы тяжести. На время полёта Микки перекладывает ответственность за Тюрина на Артемьева.
Так проходит несколько дней. Крамер учит Артемьева «летать в межпланетном пространстве», а Тюрин, по словам Анны Игнатьевны, «в полной лунной форме».
Главы 15-16
Антонина отправляется в «лабораторию мирового холода». Артемьев и Тюрин летят на луну. Руководит ими геолог Соколовский.
Тюрин сообщает новые астрономические данные. Соколовский отвечает, 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». Они как маленькие луны, только не круглые. 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» на ночной половине. С ракеты спускают «летающий автомобиль». Тюрин говорит, что кратеры могут быть как вулканическими, так и метеоритными. Соколовский рассказывает, что он уже побывал на луне и назвал месторождение драгоценных камней «морем Изобилия».
На «летающем автомобиле» ломается колесо, и приходится ставить запасное. Они едут «по краю месяца, то есть по линии терминала, границы света и тени». Соколовский рассказывает, что на луне бывают «лунотрясения», связанные с разницей температур. Он предлагает «лететь в океан Бурь, а оттуда прямо на восток, 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 свой фотоаппарат, Соколовский находит «скалы из красного порфира и базальта разнообразных красок и оттенков, переливающихся всеми цветами радуги».
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». Соколовский хочет «подняться повыше, чтобы обозреть общий вид лунной поверхности». 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», по аналогии с Кордильерами. За горами начинается «чёрная бездна», которая оказывается большой трещиной. Тюрин думает, что может произойти с луной — «уйдёт в мировое пространство», «будет притянута землёй и упадет на неё» или «расколется на две полулуны», после чего «вокруг земли образуется светящийся пояс, как у Сатурна».
Соколовский предлагает спуститься в трещину, чтобы «проникнуть до центра планеты». Он находит там железную руду. 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 не может найти дорогу обратно и 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 снимать скафандр ещё нельзя — «камнями разбиты оконные стёкла, и лунное путешествие придётся закончить». Тюрин говорит, что «уже потерял надежду найти» Артемьева.
Они перебираются в ракету. Артемьев показывает путешественникам «ползучие мхи, как трофей, принесённый из страны снов». «Экспедиция на луну, при всей её кратковременности, дала богатые научные результаты».
Главы 17-18
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 — радисту некогда. 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.
Главы 19-20
Крамер ведёт Артемьева в оранжерею. Артемьев удивляется, что без силы тяжести растения развиваются иначе — «земные карлики превращались в гигантов, и, наоборот, земные древесные великаны превратились в карликов» (земляника размером в ладонь, горох как яблоки, «карликовые деревья с гигантскими плодами»).
В оранжерее работают девушки. Крамер знакомит Артемьева с одной из них, Зориной.
Крамер и Артемьев купаются в «невесомой ванне». Крамер всё время смеется, 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. Он считает, что рядом с такими животными (тонконогая свинья, баран без шерсти) можно сойти с ума. Например, говорящая собака Джипси лает, когда хочет сказать «да», и рычит, когда хочет сказать «нет».
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.
Главы 21-22
Молодёжь развлекается «в клубе, в общественном саду, в кинотеатре, в гимнастическом зале». А Крамер продолжает сердиться.
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. Ещё он говорит, что однажды «маленький метеорит, немного больше песчинки, пробил листья растений и плечо одной сотрудницы, эта сквозная рана даже не потребовала перевязки». Артемьев хочет побывать на заводе, но у него ничего не получается.
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 не только глупеет, но и дичает — обрастает бородой, плохо одевается, становится некрасивым. Артемьев хочет показать его Анне Игнатьевне.
Главы 23-24
Артемьев и Зорина работают вместе. Девушка показывает «дрозофилу величиной в голубя, крылья не больше пчелиных», барана с «золотым руном». Тут приходит Крамер и выгоняет Артемьева. Джипси остаётся с Зориной. Крамер начинает её 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 всё дело в космических лучах, которые довели «одного до сумасшествия, другого до уродства». Работать надо в «изоляционной» одежде, чтобы не было таких мутаций, как у растений и животных.
На день «основания звезды» все «небесные колонисты» возвращаются. Они рассказывают, как выглядит кольцо Сатурна, астероиды. Тюрин обсуждает с Соколовским «философию движения». Пархоменко и Зорина втайне от Крамера устраивают свидание.
Перед портретом Циолковского они подводят итоги «звёздного года». Антонина рассказывает, что изобрела прибор, который «отодвигает корабль в сторону», чтобы избежать встречи с астероидом. Пархоменко расхваливает Тюрина, Кистенко, Соколовского, но особенно — Евгеньева. Бородатый выходит на сцену, и Антонина по голосу определяет, что это Палей.
Все трое уединяются. Бородатый рассказывает, что он был влюблён в Антонину и поэтому уехал, чтобы она ни о чём не догадалась. Теперь у него есть жена, Соня Евгеньева, фамилию которой он взял. 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 остается делать «величайшие открытия в биологии».
Главы 25-26
Артемьев и Зорина работают с животными. Фалеев выздоравливает. Приходит Антонина. Артемьев показывает ей Джипси и говорит, что «изоляционная одежда сохранит моё тело, мой мозг и мою любовь к тебе».
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». Артемьев вспоминает о своей «не совсем обычной женитьбе».
У Палея и Сони рождается дочь, у Артемьева и Антонины — сын. Не исключено, что рано или поздно они тоже поженятся.