Le jeune journaliste Tintin et le capitaine Haddock se rendent en Syldavie où leur ami commun, le professeur Tournesol, prépare dans un laboratoire secret une expédition sur la Lune. Un espion fait partir prématurément une fusée expérimentale à bord de laquelle Milou, le chien de Tintin, s'est glissé par hasard. Le vaisseau spatial mis au point par Tournesol est donc mis en service immédiatement avec à son bord le professeur et son assistant, Wolff, Tintin et le capitaine, ainsi que trois passagers clandestins, les détectives Dupond et Dupont et l'espion. Les efforts de celui-ci pour saboter l'expédition et s'emparer de la fusée occasionnent maints incidents périlleux.