Moonfall'da bilinmeyen nedenlerle, Ay yörüngesinden sapar ve Dünya'ya doğru yönelmeye başlar. Dünya'nın yerçekimi ve tüm fizik yasaları bozulur. Büyük tsunamiler, depremler, volkanik patlamalar ve iklimlerdeki büyük değişiklikler de dahil olmak üzere akla hayale gelmeyecek felaketler nedeniyle dünya, korku ve kaosa sürükleniyor. Eski NASA astronotu Jo Fowler (Halle Berry) bu durumu çözebileceğini ve çarpışmanın engellenebilir olduğunu düşünür.  Ancak iş arkadaşlarından yalnızca biri (Patrick Wilson) ona inanır. Acil bir durumda, konuyla ilgili uzman olmayan bir grup bilim insanı, yeryüzündeki yaşamın sonu gelmeden Ay'a gidip çarpışmayı önleme görevini kabul eder. Ama oraya vardıklarında Ay'ın, sandıkları gibi Dünya'nın etrafında dönen dev bir kayadan ibaret olmadığını anlayacaklar.