В декабре 1974 года экипажу ранее отменённой миссии Аполлон-18 сообщают, что миссия возобновлена, но теперь это секретная миссия министерства обороны США. Командир Нейтон Уокер, подполковник Джон Грей и капитан Бенджамин Андерсон стартуют к Луне с целью размещения PSD-5 — установок предупреждения о ракетном нападении со стороны СССР.

Грей остается на орбите на борту модуля «Фридом», в то время как Уокер и Андерсон совершают посадку на южный полюс Луны в модуле «Либерти». Экипаж устанавливает оборудование, берёт образцы лунных пород. Позже радиоаппаратура улавливает посторонние шумы, а камера фиксирует небольшой движущийся камень рядом с модулем. Хьюстон утверждает, что шумы — помехи от детекторов PSD-5. Андерсон находит камень на полу «Либерти», несмотря на то, что герметично изолировал образцы.

Во время следующего выхода на поверхность астронавты обнаруживают следы, которые приводят их к советскому кораблю ЛК (в фильме почему-то названному «Протон») официально нереализованной советской лунной программы. В ходе обследования корабля астронавты выясняют, что он исправен, несмотря на некоторые неполадки (оборванные провода). Внутри они обнаруживают использованную аптечку, окровавленные бинты и пятна крови на стенах и оборудовании. Андерсон направляется по следам, ведущим в затенённый кратер, и находит мертвого космонавта. По возвращении в модуль экипаж докладывает обо всём на Землю. На запрос Уокера о советском присутствии Хьюстон только дает указание продолжать миссию.

На следующий день астронавты обнаруживают, что установленный ими флаг исчез. С Земли сообщают, что их миссия завершена. Экипаж готовится покинуть Луну, но запуск прерывается, при этом «Либерти» испытывает сильную тряску. Для оценки полученных повреждений Уокеру приходится выйти из модуля. При осмотре выясняется, что «Либерти» значительно повреждён, ровер перевёрнут, а повсюду вокруг модуля обнаруживаются явно нечеловеческие следы, что Уокер приводит в качестве доказательства внеземной жизни. Внезапно Уокер чувствует, как что-то движется внутри его скафандра и приходит в ужас, когда видит паукообразное существо внутри своего шлема. Уокер исчезает из поля зрения, и Андерсон находит его в бессознательном состоянии недалеко от «Либерти». Позже, придя в себя, Уокер всё отрицает. Андерсон, снимавший в это время видеоотчёт для минобороны, замечает рану на груди Уокера; при осмотре он обнаруживает и удаляет лунный камень, попавший в неё. Из-за повышения уровня помех от неизвестного источника астронавты оказываются не в состоянии связаться с Хьюстоном или Греем.

Андерсон предполагает, что истинное предназначение устройств предупреждения запуска МБР — наблюдение за пришельцами. Оба астронавта приходят к мнению, что PSD-5 являются источником помех и несмотря на заверения Хьюстона, что это не так, решают отключить их. Но по прибытии к месту их установки выясняется, что все PSD-5 уничтожены, а среди обломков обнаруживаются те же следы, что и возле модуля. У Уокера обнаруживаются признаки развития инфекции около раны, при этом он становится всё более подозрительным. Ночью камера фиксирует передвижение в кабине «Либерти», показывая, что пришельцы мимикрируют под лунные камни (становятся неотличимы от реальных пород). Уокер, заметив это, впадает в ярость и пытается уничтожить камеры внутри модуля, но случайно наносит ущерб системе управления, в результате чего в «Либерти» начинает стремительно падать давление. Понимая, что советский ЛК является их единственным источником кислорода, экипаж отправляется к посадочному модулю ЛК на своём ровере. По пути Уокер пытается бежать, полагая, что он не должен оставлять Луну из-за риска распространения инфекции на Землю. Андерсон пытается его остановить, но теряет управление, в результате чего ровер переворачивается на полном ходу. Во время переворота ровера изображение замедляется и якобы камера снимает как у больших камней прорастают ноги.

Придя в себя, Андерсон идет по следам Уокера и находит его возле кратера, в котором они нашли космонавта. Внезапно что-то втягивает Уокера в кратер. Андерсон бежит следом, используя свой стробоскопический источник света для освещения территории. В находящихся в кратере камнях начинают прорастать паукообразные ноги, заметив это Андерсон бежит в советский ЛК. Используя радио он устанавливает связь с советским Центром Управления Полетами, который соединяет его с министерством обороны США. Заместитель министра информирует Андерсона, что они не позволят ему вернуться на Землю, признав, что они знают о ситуации и опасаются, что он также заражен. Грей выходит на связь с Андерсоном и они вместе принимают меры для возвращения Андерсона на «Фридом». Андерсон готовится к запуску модуля, но внезапно появляется Уокер и требует впустить его. Бен говорит, что не может этого сделать, тогда Уокер пытается взломать входной люк, но в это время рой существ проникает в его скафандр и разбивает стекло гермошлема, что приводит к гибели астронавта. Андерсон запускает ЛК с целью подлететь к «Фридом» и перейти в него через открытый космос. С Земли Грею сообщают, что Андерсон заражен, и приказывают прервать спасательную операцию. В противном случае связь будет отключена, что сделает невозможным возвращение на Землю. Однако он готов нарушить приказ, спасая друга. После выхода на орбиту и отключения двигателя в кабине ЛК наступает невесомость, и все незакреплённые предметы, включая образцы пород, начинают плавать по кабине. Бен с ужасом понимает, что некоторые камни на самом деле инопланетные твари. Они набрасываются на Андерсона, лишая его возможности управлять модулем, в результате чего он летит прямо на «Фридом». Грей кричит Андерсону, что он идет слишком быстро. Через мгновение кадры резко обрываются, подразумевая столкновение.

Кадры домашнего видео, снятого до полёта, показывают астронавтов на барбекю с друзьями и семьями. В «Официальном досье» говорится, что астронавты погибли вследствие различных аварий, в результате которых их тела не были обнаружены. Эпилог обьясняет, что многие из образцов лунных пород, доставленных в ходе предыдущих миссий Аполлон, были украдены или числятся пропавшими без вести.