Seorang gadis bernama Fei Fei diceritakan legenda dewi Bulan Chang'e yang mengambil ramuan untuk keabadian, menyebabkan dia menjadi dewi dan naik ke Bulan tanpa kekasihnya Houyi, dan menunggunya di sana. Sebagai persiapan untuk Festival Bulan tahunan, Fei Fei dan keluarganya membuat kuih bulan untuk kampung. Namun, ibu Fei Fei jatuh sakit, dan memberikan anak perempuannya arnab bernama Bungee, sebelum meninggal dunia.

Fei Fei, yang masih mempercayai Chang'e empat tahun kemudian, dia sedih ketika dia mengetahui bahawa ayahnya bertunangan dengan Zhong, dan anaknya yang menjengkelkan, Chin. Keluarga Fei Fei bergabung dengan mereka untuk perayaan Festival Bulan, tetapi semasa makan mereka Fei Fei menyedari bahawa ayahnya tidak lagi mempercayai Chang'e kerana keluarganya menolak keberadaan dewi itu. Kecewa, dia lari ke tasik yang biasa dia kunjungi bersama keluarganya dan mengenang ibunya. Diilhami oleh derek dan legenda Chang'e, dia memutuskan untuk membina roket ke Bulan untuk membuktikan bahawa Chang'e itu nyata. Dia merancang roket yang menyerupai tanglung kertas Cina dalam bentuk arnab yang menggunakan bunga api untuk meningkatkan kepantasannya. Roketnya hampir berjaya sehingga dia menyedari bahawa Chin menyelinap di roketnya dan mereka mula terhempas ke Bumi. Tiba-tiba, roket itu ditangkap dalam pancaran tenaga mistik dan dibawa ke Bulan. Mereka terhempas ditanah setelah dikelilingi oleh roh-roh gembira, yang kemudian menyelamatkan mereka dan membawa mereka ke Lunaria, sebuah kerajaan yang seluruhnya terdiri dari cahaya di sisi gelap bulan dan rumah Chang'e.

Mereka diperkenalkan kepada Chang'e dan penari latarnya, Lunettes. Chang'e memberitahu Fei Fei bahawa dia seharusnya memberikan hadiah untuk Chang'e untuk membawa Houyi kembali. Fei Fei mengambil foto dengan Chang'e untuk membuktikan dia wujud, tetapi Chang'e mengambil foto dari Fei Fei dan menyuruhnya bagi hadiah itu. Fei Fei tidak tahu apa yang dia cakapkan, dan Chang'e yang marah mengumumkan pertandingan untuk mendapatkan hadiahnya sebelum bulan terakhir jatuh. Fei Fei sangat marah dengan Chin dan meninggalkannya, pergi dengan Lunarian Biker Chicks ke lokasi tempat terhempas. Chin melihat beberapa Lunet dengan foto itu dan ditangkap oleh Chang'e yang menuntut lokasi hadiah itu. Chang'e mencabar Chin untuk bermain permainan ping pong yang dimenangi Chin, di mana dia memarahi Chang'e tentang keegoisan masa lalu untuk mengambil ramuan untuk dirinya sendiri yang menyebabkan dia berpisah dari Houyi di tempat pertama, yang lebih mengecewakan Chang'e. Sebagai pembalasan, dia menjebak Chin di ruang dan enggan memberikan foto itu kepadanya. Chang'e kemudian menangis putus asa bahawa dia tidak akan pernah melihat Houyi lagi, menyebabkan meteor dengan emosinya. Setelah Chin dipenjarakan, Bungee melarikan diri dan mengikuti Jade Rabbit ke tempat kerjanya di mana mereka berdua saling jatuh cinta.

Sementara itu, Fei Fei dan Biker Chicks menghindari meteorit yang jatuh dan menuju ke lokasi nahas roketnya, di mana Fei Fei bertemu seorang Lunarian yang diasingkan bernama Gobi. Dia menjumpai anak patung Chang'e, yang dia curigai sebagai hadiah, tetapi Biker Chicks mengambil boneka itu dan meninggalkan Fei Fei dan Gobi di belakang. Fei Fei dan Gobi menuju ke Lunaria di belakang raksasa kodok, di mana Gobi mengungkapkan bahawa Chang'e mengasingkannya kerana sebuah lagu yang dia nyanyikan kepadanya tentang teruskan hidup tanpa Houyi. Fei Fei dan Gobi mengejar Biker Chicks, tetapi semasa pertengkaran mereka, patung itu musnah. Namun, Fei Fei mendapati di salah satu kuih bulannya terdapat separuh bulatan jed terbuka dan menyedari bahawa itu adalah hadiah Chang'e. Mereka kembali ke istana Lunaria, gabungkan kembali dengan Chin dan Bungee, dan memberikan hadiah itu kepada Chang'e, yang membuat bulatan jed. Chang'e dan Houyi kemudian disatukan semula, tetapi Houyi menjelaskan bahawa dia tidak dapat bertahan dan menyuruh Chang'e untuk bergerak sebelum dia memudar. Tidak dapat untuk menerimanya, Chang'e masuk ke dalam keadaan tertekan, menyebabkan semua cahaya di Lunaria padam.

Fei Fei berusaha menyampai Chang'e, tetapi saat dia memasuki Chang'e dipenuhi dengan kesedihan, dia juga menjadi tertekan kerana menyaksikan visi kematian ibunya, di mana Fei Fei menyedari dia tidak pernah menerima kehilangan ibunya. Dia menyedari bahawa mereka berdua mesti beralih dari tragedi mereka, Chang'e dan Fei Fei saling mendorong untuk mencari cinta di sekeliling mereka, untuk Chang'e bersama dengan Lunaria dan Fei Fei bersama dengan Chin. Ini membenarkan kedua-duanya untuk menerima kematian orang yang mereka sayangi, memulihkan hidup ke Lunaria.

Chang'e berterima kasih kepada Fei Fei dan membenarkan dia dan Chin pulang ke rumah — tidak termasuk Bungee, yang tinggal di Bulan dengan Jade Rabbit — dan tarik balik pengusiran Gobi. Fei Fei dan Chin mengucapkan selamat tinggal kepada orang-orang Lunarian dan pulang ke rumah, di mana Fei Fei menerima perkahwinan ayahnya dan Puan Zhong dan Chin sebagai adiknya. Kira-kira setahun kemudian, Fei Fei hidup bahagia bersama keluarga barunya dan terus memandang Bulan, memerhatikan ketika kren terbang ke arahnya pada waktu malam.