Les parents de Fei Fei, une fillette chinoise, racontent à cette dernière la légende de Chang'e, qui aurait bu une potion lui ayant donné l'immortalité, la changeant en déesse et la faisant s'élever sur la Lune, quittant ainsi son amant Houyi, qu'elle attend encore dans le ciel. Pour la fête de la lune annuelle, Fei Fei et sa famille confectionnent des gâteaux de lune pour tout leur village. Cependant, la mère de Fei Fei tombe malade et offre à sa fille un lapin qu'elle nomme Cabriole avant de décéder.
Quatre ans plus tard, Fei Fei, qui croit encore en la légende de Chang'e, est furieuse quand elle apprend que son père s'est fiancé à Mme Zhong, la mère de Chin, un enfant turbulent et insupportable. La famille de Fei Fei se joint à eux pour célébrer la fête de la lune, mais pendant le repas, Fei Fei réalise que son père ne croit plus en Chang'e et que sa famille nie l'existence de la déesse. Énervée, elle part au bord du lac où elle se rendait souvent avec sa mère et se souvient de cette dernière. Inspirée par la légende de Chang'e et par une grue, Fei Fei décide de construire une fusée et d'aller sur la Lune afin de prouver l'existence de Chang'e. Elle crée alors une fusée qui ressemble à une lanterne en forme de lapin qui utilise des feux d'artifice pour décoller. La fusée décolle correctement mais Fei Fei réalise que Chin est venu avec elle dans la fusée et ils commencent à redescendre en flèche vers la Terre. Soudainement, la fusée est prise dans un mystérieux rayon d'énergie et ils sont emmenés sur la Lune. Ils s'écrasent sur la surface de la Lune quand deux grands lions chinois jouent avec la fusée, puis emmènent les protagonistes à Lunaria, un royaume entièrement composé de lumière sur la face sombre de la Lune.
Ils y rencontrent Chang'e, qui dit à Fei Fei qu'elle est censée lui amener un cadeau afin qu'elle puisse retrouver Houyi. Fei Fei prend une photo avec Chang'e pour prouver son existence, mais Chang'e prend la photo et demande le cadeau en échange. Fei Fei ne sait pas de quel cadeau la déesse parle, et cette dernière organise une compétition pour retrouver le cadeau avant la fin d'un compte à rebours de poussière de lune. Fei Fei s'énerve avec Chin et part retrouver le cadeau avec des poules lunaires. Chin tente de récupérer la photo mais Chang'e le défie dans une partie de tennis de table que Chin gagne en énervant encore plus Chang'e en lui disant que si elle n'avait pas été si orgueilleuse et bu toute la potion, elle serait encore avec Houyi. Elle refuse alors de lui donner la photo et l'enferme dans une salle de son château. Chang'e se met à pleurer, ce qui cause une pluie de météores. Cabriole s'échappe du château et trouve le lapin de jade dans son atelier, où ils tombent amoureux.
Pendant ce temps, Fei Fei et les poules lunaires échappent à la pluie de météores et retournent sur le site du crash, où Fei Fei rencontre Gobi, un habitant exilé de Lunaria. Elle trouve sa poupée à l'effigie de Chang'e, ce qu'elle pense être le cadeau, mais les poules lunaires prennent la poupée et abandonnent Fei Fei et Gobi. Ce dernier explique à la jeune fille qu'il a été exilé quand il a chanté à la déesse une chanson qui disait qu'elle devait oublier Houyi. Ils parviennent à retrouver les poules lunaires, mais la poupée est détruite pendant l'altercation. Cependant, Fei Fei découvre dans l'un des gâteaux de lune qu'avait préparé Mme Zhong la moitié d'une amulette de jade et réalise qu'il s'agit du cadeau pour Chang'e. Ils retournent alors à Lunaria, où ils retrouvent Chin et Cabriole, et donne le cadeau à Chang'e. Cette dernière et Houyi sont réunis, mais Houyi explique qu'il ne peut pas rester et que Chang'e doit passer à autre chose. Refusant de l'accepter, Chang'e tombe dans une tristesse qui prive Lunaria de toute sa lumière.
Fei Fei tente d'atteindre Chang'e, mais elle est hantée par une vision de la mort de sa mère et réalise qu'elle n'acceptera jamais le fait de l'avoir perdue. Réalisant qu'elles doivent toutes deux faire le deuil de leur tragédie, Chang'e et Fei Fei s'encouragent à trouver le bonheur autour d'elles, ce qui ramène la lumière à Lunaria.
Chang'e remercie Fei Fei et autorise cette dernière et Chin à retourner sur Terre. Un an plus tard, Fei Fei vit heureuse avec sa nouvelle famille et continue de regarder la Lune.
Le film sort en salles en Chine[14] et sur Netflix à l'international le [1] après une avant-première le au Montclair Film Festival[15]. La veille de sa sortie, un livre intitulé Over the Moon: Illuminating the Journey et écrit par l'historien Leonard Maltin est publié[16].
