Het verhaal begint op het moment dat de raket die vanaf de ruimtevaartbasis in Syldavië is vertrokken op weg is naar de maan. Al snel blijkt dat naast de 4 vaste bemanningsleden - Kuifje, kapitein Haddock, professor Zonnebloem en diens assistent Frank Wolff - ook Jansen & Janssen aanwezig zijn, die de raket aan het bewaken waren tot het moment van de lancering die volgens hen later zou plaatsvinden. Hierdoor rijst de serieuze vraag of er voldoende zuurstof voor alle aanwezigen zal zijn om de reis te voltooien, de reserves waren immers berekend op slechts 4 astronauten. Het geplande verblijf op de maan zal hoe dan ook moeten worden ingekort.

Kapitein Haddock, die stiekem een aantal flessen whisky aan boord van de raket heeft meegesmokkeld, bedrinkt zich zwaar en besluit dan om uit de raket te stappen, omdat hij het zat is en terug wil naar het kasteel in Molensloot. Kuifje redt op het nippertje Haddocks leven wanneer die in de ruimte zwevend wordt aangetrokken door een komeet. Eenmaal nuchter heeft Haddock diepe spijt. Kuifje dreigt hem voor de rest van de reis in de boeien te slaan als er nog eens zoiets gebeurt. De detectives krijgen in de raket opnieuw last van een ziekte die ze in het vorige avontuur – Kuifje en het Zwarte Goud – hebben opgelopen, waarbij ze o.a. een plotselinge zeer sterke baardgroei krijgen. Kapitein Haddock moet hen knippen en scheren.

Bij aankomst op de maan zet Kuifje de eerste voet op de maanbodem. Even later begint hij samen met de rest aan een aantal onderzoeksexpedities in een maanwagen, die echter niet geheel probleemloos verlopen; zo storten ze met de wagen bijna in een afgrond en belandt Kuifje in een spelonk, waaruit hij ternauwernood wordt gered. In een maangrot ontdekken ze stalagmieten en stalactieten; er moet dus water op de maan zijn of zijn geweest.

Dan blijkt er een nieuw gevaar te loeren: kolonel Jorgen heeft zich als verstekeling verscholen in de raket. Nadat hij eerst is bevrijd door Wolff – die een handlanger van hem blijkt te zijn – en Kuifje heeft neergeslagen, wil Jorgen met de raket terugkeren naar de Aarde met alleen hemzelf, Wolff en Kuifje aan boord. De anderen die nog met de maanwagen weg zijn wil hij op de maan achterlaten, zodat ze tot een gruwelijke dood zijn veroordeeld. Wolff protesteert eerst heftig tegen dit plan. Hij zwicht alsnog wanneer Jorgen hem herinnert aan het dreigende zuurstoftekort, aangezien ze in totaal met zijn zevenen zijn terwijl de zuurstofvoorraad was berekend op vier personen. Kuifje slaagt erin om het vertrek van de raket op het allerlaatste moment tegen te houden. De raket is hierdoor wel beschadigd en moet hersteld worden. De twee schurken worden in de boeien geslagen en meneer Baxter en andere medewerkers van de ruimtevaartbasis worden op de hoogte gebracht.

Dan begint de ondervraging. Jorgen is een Bordurisch geheim agent waar Kuifje eerder mee te maken heeft gehad in De scepter van Ottokar. Hij wilde de raket kapen en de aanwezige high-tech stelen. Wolff heeft eerder grote gokschulden gemaakt en wordt nu hiermee gechanteerd door dezelfde personen die de Syldavische raket wilden hebben en erachter waren gekomen dat Wolff inmiddels als assistent van Zonnebloem in dienst was. Wolff blijkt dus hoogverraad te hebben gepleegd; hij is degene die eerder vertrouwelijke gegevens van Zonnebloem aan Bordurië heeft doorgespeeld, waardoor de eerste versie van de raket van Zonnebloem kon worden gekaapt. Ook is hij de onbekende die Haddock op de basis heeft neergeslagen.

Nadat de raket is hersteld en de reis terug naar de Aarde alsnog is begonnen, weten Jorgen en Wolff zich uit hun gevangenschap te bevrijden door een domme zet van Jansen en Janssen. Jorgen wil nu de rest van de bemanning alsnog doden zodat hij de raket opnieuw kan kapen, maar wordt in een handgemeen met Wolff die dit wil beletten per ongeluk zelf doodgeschoten. Wolff voelt zich zwaar schuldig, maar wordt getroost door Kuifje, de enige die hem nog vertrouwt. Even later blijkt Wolff om onverklaarbare redenen verdwenen te zijn. Als Haddock en Kuifje op onderzoek uit gaan en enkele doorgeknipte kabels zien, vrezen ze in eerste instantie dat hij hen opnieuw heeft verraden. Dan blijkt dat Wolff niets heeft gesaboteerd maar zelfmoord heeft gepleegd door uit de raket te stappen, uit wroeging en in de hoop dat hij de andere passagiers hiermee meer zuurstof kan geven. De kabels moest hij doorknippen om te voorkomen dat het alarm afging.

Als de overgebleven bemanningsleden – Kuifje, Haddock, Zonnebloem en de twee detectives – de aarde naderen, blijkt de meeste zuurstof nu echt opgebruikt, ondanks Wolffs zelfopoffering. Gaandeweg verliest iedereen het bewustzijn. Haddock drinkt alsnog van de meegesmokkelde whiskey hoewel hem dit eerder door Kuifje streng was verboden, aangezien iedereen toch ten dode lijkt opgeschreven en hij het er dan nog maar een keer van wil nemen. Kuifje blijft van iedereen het langst bij bewustzijn en slaagt er met zijn laatste krachten in om de raket via een knop tijdig te laten draaien, zodat het gevaarte veilig op de basis in Syldavië kan landen.

Na de landing blijft iedereen in eerste instantie bewusteloos en moeten ze gereanimeerd worden. Kapitein Haddock is er van iedereen het slechtst aan toe. Hij lijkt in een diepe coma te liggen, maar schiet ineens overeind als de arts het over whiskey heeft. Er wordt een glas geheven op de goede afloop. Wanneer Zonnebloem verklaart samen met iedereen nog eens terug te zullen gaan, gaat Haddock door het lint; dit is wel het allerlaatste dat hij ooit zal doen.