En 1964, une mission astronautique internationale (Russes et Américains ensemble) prend pied sur la Lune et y découvre un drapeau anglais et un document écrit qui est une prise de possession de la lune au nom de la Reine Victoria. Grosse surprise des astronautes qui se croyaient les premiers hommes sur la Lune. On retrouve Bedford, le dépositaire de ce document, dans une maison de retraite de l'Angleterre.
Bedford raconte son histoire. À la fin du XIX siècle, pour échapper à ses créanciers, il s'associe avec un savant un peu fou mais génial, Cavor, qui a inventé une matière, la cavorite, qui, une fois déposée sur un objet, permet à celui-ci de s'affranchir de la pesanteur. Ensemble, et avec Kate, la fiancée de Bedford, ils partent ensemble pour la Lune, et découvrent que celle-ci est habitée par les Sélénites, des humanoïdes insectiformes qui ont conçu une civilisation très évoluée, même si très différente de celle de la Terre. Les premiers contacts sont un peu rudes.
Bedford et Cavor ne sont pas d'accord sur la façon d'entrer en relation avec eux. Bedford penche nettement pour une façon musclée, tandis que Cavor, en bon savant qu'il est, cherche à entrer en contact avec eux, et y parvient. Mais ils apportent avec eux les tares de l'Humanité dans cette civilisation qui vivait en harmonie avant leur arrivée. Quand les nouveaux astronautes arriveront 65 ans plus tard, on apprendra que toute cette civilisation a disparu.
Bedford et Kate rentreront seuls sur Terre, Cavor choisissant de rester parmi les Sélénites.