В Цветочном городе все коротышки занимаются уборкой урожая. Незнайка решает лично принести арбуз и только чудом спасается от него. Арбуз уплывает по Огурцовой реке, а Знайка делает своему антиподу выговор за потерю плода. В качестве извинения Незнайка решает принести самый большой огурец. Ночью он отправляется в огород, где сталкивается с майским жуком, которого Незнайке удаётся напугать своей тенью. Но затем жук понимает, что был обманут, и налетает на главного героя сзади, ударив его по голове, после чего улетает.

Ромашка поливает цветы в своём саду из лейки. Её подруга Мушка сообщает ей, что сегодня в городе великий спор. Незнайка наступает на шланг, чтобы перекрыть подачу воды, но этот шланг обливает всех и сбивает забор. Главному герою достаётся по заслугам, а Знайка предварительно устраивает спор с астрономом Стекляшкиным о том, есть ли на Луне жизнь или нет. Во время этого спора сконструированный Знайкой прибор невесомости (из логарифмической линейки, лунного камня и магнита) неожиданно отказывает в своём действии. Знайка становится всего лишь посмешищем в присутствии Стекляшкина и всех остальных. В отчаянии он готов был отказаться от своей затеи и вообще бросить заниматься наукой.

Незнайка решает спрятаться в ракете ночью, чтобы полететь тайком. Вместе с собой он берёт Пончика, которого не взяли на Луну из-за того, что он слишком тяжёлый, и его будто бы не поднимет ракета. В ракете они забираются в мешки с семенами (Незнайка — в тыквенные, а Пончик — в арбузные) и планируют поспать до утра. Когда Незнайка засыпает, Пончик собирается выбраться из ракеты, чтобы вернуться домой. Но перед выходом он пугается жабы за бортом ракеты (она тоже испугалась до такой степени, что упала вниз), от страха проваливается в кабину управления ракетой и случайно нажимает на кнопку запуска.

Пончик признаётся Незнайке, что это он случайно запустил ракету. В последний момент у Незнайки получается помириться с компьютером «Знайка-1», и ракета прилуняется. Незнайка и Пончик выходят из ракеты, и Незнайка проваливается в кратер, который на самом деле оказывается сквозным проходом через внешнюю поверхность Луны к внутреннему ядру. Оно населено такими же коротышками, как и Незнайка. Между ними действуют денежные отношения (так как в Лунном городе установлен капитализм), а растения соответствуют росту самих коротышек.

Незнайку вместе с другими заключёнными выводят на прогулку, но там запрещено говорить. Один из заключённых, Мига, привлечён рассказом Незнайки о семенах гигантских растений. Он даёт последнему письмо и просит после освобождения передать его одному надёжному коротышке. Это друг Миги, и его зовут Жулио. На следующий день в суде происходит очная ставка Незнайки с арестованным сообщником Мухомора, Красавчиком, который не признаёт в главном герое своего напарника.

На свалке за Звёздочкой и Незнайкой следит главный управляющий Спрутса, господин Крабс. Они продолжают путь к Жулио. Выясняется, что это торговец оружием и владелец магазина разнокалиберных товаров, который находится в доме № 13, в Змеином переулке. Он предлагает Незнайке и Звёздочке огнестрельное оружие в ассортименте, но Звёздочка объясняет, что их это не интересует. Тогда Жулио предлагает один из капроновых чулков. Наконец Незнайка передаёт ему письмо Миги, и Жулио уезжает, а Незнайка и Звёздочка остаются в его магазине.

Мига и Жулио переодеваются в полицейских. Вместе с Незнайкой и Звёздочкой они едут к дому Клопса, «арестовывают» Фикса и забирают скафандр Незнайки. Вблизи Гризль пытается поймать Звёздочку, чтобы отправить её на остров Развлечений. Однако Незнайка, Мига и Жулио уезжают вместе с ней и ненароком подставляют Гризля, которого ловит полиция по подозрению в попытке ограбить Клопса. Обнаружив у редактора газеты злосчастный билет, она отправляет его на остров по решению инспектора Мигля («Глядите-ка, у него билет на остров Дураков, а он тут дурака валяет!»).

Тем временем Пончик, который остался на поверхности Луны, в ракете, съедает годовой запас продовольствия за 7 дней, 11 часов, 38 минут и 6 секунд. После этого он надевает скафандр, выходит из ракеты и тоже проваливается на внутреннее ядро Луны. Из-за штиля Пончик опускается на берег Лунного моря. Он узнаёт, что местные жители не употребляют в пищу поваренную соль, и организует бизнес по добыче и продаже соли. Потом Пончик становится умелым бизнесменом и успешно использует наёмный ручной труд. В итоге он становится миллионером, живёт на собственной вилле, имеет собственных слуг и называется господином Пончем.

Звёздочка и Незнайка встречают под мостом бездомных коротышек, одного из которых зовут Козликом, и остаются с ними. Жить можно и под мостом, если дружно. Главное, чтобы костёр не погас, а то случится беда. Незнайка обещает Козлику присмотреть за костром. Между тем Крабс привозит Скуперфильда в лес и обманом подвешивает его на дереве, заверив, что на рассвете пришельцы обязательно появятся с семенами табака.

В Цветочном городе после отлёта ракеты прошло 10 дней. Знайка и его друзья безуспешно пытаются найти ракету, Незнайку и Пончика. Они пытаются вести поиски на воздушном шаре, но это ни к чему не приводит, а сам шар лопается и падает. Только астроном Стекляшкин, смотря в свой телескоп на Луну, по чистой случайности обнаруживает на поверхности пропавшую ракету Знайки и в спешке раскрывает правду.

Тем временем на Луне, в Лунном городе Крабс находит бандита Мухомора, и они вместе грабят банк и похищают собранные с членов Большого Бредлама 3 миллиарда фертингов на уничтожение ракеты. Лунные астрономы узнают, что с Земли на Луну летит вторая ракета. Один из них сообщает об этом членам Большого Бредлама. Инспектор Мигль, который ещё до этого пострадал в погоне за грабителями, отчитывается перед встревоженным Спрутсом. Последний приказывает ему уничтожить ракету и пришельцев, угрожая разжалованием.

В горах Звёздочка неожиданно встречает своего бывшего начальника, редактора Гризля. Он рассказывает (точнее, поёт) ей, что под морем есть особая система (её приводят в действие аттракционы), которая поглощает радость всех, кто живёт на острове Дураков. Эта радость служит энергией для заводов Спрутса, а под влиянием воздуха, загрязнённого этими заводами, коротышки превращаются в овец и баранов