1946年、ツィオルコフスキー記念ソ連邦惑星間飛行研究所では、天体物理学者セドゥイフ博士が最初の月旅行を計画していた。一方、研究所のカーリン教授は有人飛行にはまだ反対で動物実験による安全性の確認作業を行い、博士と同行予定の大学院生ヴィクトルをまきこんで月旅行を阻止しようとしていた。カーリン教授の打ち上げたロケット128号の行方がわからない中、セドゥイフ博士とカーリン教授の助手マリーナ、そしてかろうじてまぎれ込んだヴィクトルの弟で若き発明家アンドリューシャの3人を乗せたロケットは宇宙へ出発する。博士のロケットは月の裏側に着陸したうえ、ほどなく酸素維持装置に異常が発生するが、3人は何とか地球に信号を送り、ロケット128号の乗組員の猫を回収し、月の大気を集め地球へ帰還する。