Lors d'un colloque d'astronomie, le professeur Barbenfouillis propose à ses confrères d'organiser une expédition sur la Lune. Son idée est de s'y faire envoyer à l'aide d'un obus spatial qui sera propulsé au moyen d'un canon géant. Le lancement réussit et les six savants embarqués découvrent que la lune est habitée par une population locale, les Sélénites, et sont faits prisonniers.
Lorsque le scientifique Charles Meacham, spécialisé en transmutation, reçoit d'étranges condensateurs miniaturisés et un guide de montage, sa curiosité le pousse à suivre les instructions. Il construit un "interociteur", appareil de vidéotransmission sophistiqué. Le professeur Exeter y apparait, l'invitant à venir travailler sur un projet spécial. Il ne se doute pas que cet étrange personnage vient de la planète Métaluna, en guerre contre les Zahgons…
Des faits étranges se produisent un peu partout dans le monde : des avions qui avaient disparu durant la Seconde Guerre mondiale sont retrouvés au Mexique en parfait état de marche, un cargo est découvert échoué au beau milieu du désert de Gobi. Dans l'Indiana, pendant qu'une coupure d'électricité paralyse la banlieue, Roy Neary, un réparateur de câbles, voit une "soucoupe volante" passer au-dessus de sa voiture. D'autres personnes sont également témoins de ce type de phénomène : Barry Guiler, un petit garçon de quatre ans, est réveillé par le bruit de ses jouets qui se mettent en route. Cherchant à savoir d'où proviennent ces ovnis, Roy Neary se heurte aux rigoureuses consignes de silence imposées par le gouvernement fédéral. Obsédé par ce qu'il a vu et hanté par une image de montagne qu'il essaie désespérément de reconstituer, il est abandonné par sa femme Ronnie et ses enfants. Il n'y a que Jillian, la mère de Barry, qui le comprenne.
Une Française débarque à New York dans l'intention de rejoindre son petit ami. Elle trouve l'appartement vide, l'attend, puis commence à sortir et à faire des rencontres.