Film Over the Moon mengisahkan Fei Fei, seorang gadis kecil yang tumbuh dengan cerita legenda tentang Dewi Bulan, Chang'e. Sejak kecil, ia sangat percaya bahwa Chang'e benar-benar ada dan menunggu kekasihnya, Houyi, di Bulan. Namun, hidup Fei Fei berubah ketika ibunya jatuh sakit dan meninggal, meninggalkan luka mendalam yang membuatnya terus berpegang pada kenangan masa lalu.

Empat tahun berlalu, Fei Fei masih belum bisa menerima kepergian ibunya. Ia semakin terpukul saat mengetahui ayahnya akan menikah lagi dengan Nyonya Zhong, yang juga memiliki seorang anak laki-laki bernama Chin. Perasaan cemburu dan penolakan membuat Fei Fei sulit menerima keluarga barunya, bahkan ia merasa dunia yang dulu hangat kini berubah sepenuhnya.

Saat perayaan Festival Bulan, perdebatan tentang apakah Chang'e benar-benar nyata membuat Fei Fei semakin bertekad membuktikan keyakinannya. Dengan kecerdikan dan tekad kuat, ia membangun sebuah roket berbentuk kelinci untuk pergi ke Bulan. Namun, rencananya menjadi kacau ketika Chin diam-diam ikut serta dalam perjalanan tersebut.

Perjalanan mereka yang hampir gagal justru berubah menjadi petualangan luar biasa ketika roket itu dibawa ke dunia ajaib di Bulan bernama Lunaria. Di sana, Fei Fei akhirnya bertemu langsung dengan Chang'e, tetapi tidak seperti yang ia bayangkan. Dewi tersebut justru terobsesi menemukan "hadiah" yang diyakini bisa mempertemukannya kembali dengan Houyi.

Dalam usaha menemukan hadiah itu, Fei Fei menghadapi berbagai rintangan dan bertemu dengan makhluk-makhluk unik, termasuk Gobi, seorang Lunarian yang diasingkan. Di tengah petualangan, Fei Fei mulai menyadari bahwa Chang'e sebenarnya masih terjebak dalam kesedihan karena kehilangan orang yang dicintainya, sama seperti dirinya.

Ketika hadiah tersebut akhirnya ditemukan, Chang'e sempat bertemu kembali dengan Houyi, tetapi hanya untuk menyadari bahwa ia harus melepaskan masa lalu. Momen ini membuat Chang'e terpuruk, dan tanpa disadari, Fei Fei juga ikut larut dalam kesedihan yang sama.

Di titik itulah Fei Fei memahami bahwa untuk melanjutkan hidup, ia harus belajar menerima kehilangan. Bersama Chang'e, ia menemukan kekuatan untuk melepaskan masa lalu dan membuka hati pada kebahagiaan baru. Cahaya kembali ke Lunaria, menandakan harapan yang kembali tumbuh.

Akhirnya, Fei Fei kembali ke Bumi dengan sudut pandang baru. Ia mulai menerima keluarga barunya, termasuk Chin sebagai saudara, dan belajar bahwa cinta tidak pernah benar-benar hilang, ia hanya berubah bentuk.