Saat Kelly akan menuju ke Florida, kantor pusat NASA untuk melaksanakan tugasnya terjadi'lah percikan api cinta antara Kelly dan Cole Davis (Channing Tatum) yang bertemu di sebuah restoran.
Kelly dengan penampilan anggun memikat Cole Davis yang menjadi direktur peluncuran NASA yang memiliki memori memikul misi Apollo 1 yang gagal dan memakan korban jiwa tiga astronot.
Drama romantis retro ini mencoba mencapai titik manis ala Down With Love dan drama konspirasi bercitarasa Mad Men, tetapi kecocokkan mereka berdua seperti dipaksakan.
Hal yang membuat mereka kurang cocok, Scarlett Johansson sangat cantik dan manipulatif sebagai tokoh Kelly, sedangkan Tatum yang biasanya berperan sebagai tokoh yang menyenangkan dan memiliki semua karisma, di film ini seperti karpet yang kaku.
Fly Me to the Moon, sebuah film komedi tipis-tipis yang menarik dengan latar belakang pendaratan Apollo 11 di bulan, dengan kisah asmara tokoh utamanya di bumi.
Namun film ini juga menjadi pertarungan rasa antara pemeran utamanya, Scarlett Johansson dan Channing Tatum. Sebagai sepasang kekasih dengan tipikal yang bertentangan, cinta mereka tidak pernah goyah, tidak peduli apapun bentrokan diantara keduanya di film ini.
Kelly Jones, seorang wanita eksekutif periklanan yang ceria, gigih, dan pandai memanipulasi, yang acapkali ia menpromosikan produk dengan menipu seperti namanya yang palsu.
Masa lalunya yang gelap adalah salah satu alasan mengapa ia menerima tawaran dari seorang agen Gedung Putih, Moe Berkus (Woody Harrelson), yang mengetahui segalanya tentangnya dan menawarkan untuk menghilangkan masa lalunya jika ia berhasil memasarkan misi Apollo 11.
