Nach der Rückkehr aus dem Nahen Osten stellen Tim und Kapitän Haddock fest, dass Professor Bienlein abgereist ist. Ein Telegramm von ihm bittet sie, ihm nach Syldavien zu folgen, ohne Gründe zu nennen. Sie reisen sofort ab. Am Zielort werden sie sofort in Empfang genommen und in einem Wagen quer durch das Land gefahren bis zu einem offenbar geheimen Forschungsstützpunkt.
Dort erwartet sie Professor Bienlein, der ihnen erklärt, dass sie sich in der atomaren Forschungseinrichtung von Sbrodj befinden, deren Weltraumabteilung er leitet. Das anfängliche Gelächter von Haddock, als Bienlein ihnen eröffnet, dass er plane, eine Mondrakete zu bauen, schlägt augenblicklich in Entsetzen um, nachdem er auch noch erwähnt, dass Haddock und Tim als Teilnehmer dieser Mondreise vorgesehen sind. Per „Zufall“ ist der Professor immer dann taub, wenn er etwas nicht hören will, zum Beispiel die sehr wortreiche Absage des Kapitäns. In diesem Band verwendet er sonst fast durchgehend ein Hörrohr, womit es nur selten zu den sonst üblichen Missverständnissen kommt.
Am nächsten Tag zeigt ihnen Frank Wolff, der Ingenieur an der Seite von Bienlein, die verschiedenen Einrichtungen des Atomforschungszentrums. Sie besichtigen den Kernreaktor und schließlich auch die X-FLR 6, die Experimentalrakete, mit der der neu entwickelte Atomantrieb von Bienlein getestet werden soll.
Bald fällt auf, dass offenbar Anschläge auf die Forschungseinrichtung geplant sind und auch durchgeführt werden, allerdings mit geringer Auswirkung. Fallschirmspringer dringen in den Komplex ein und versuchen offensichtlich, die Pläne für die Experimentalrakete zu stehlen. Beim Versuch, die Spione zu entlarven, wird Tim niedergeschossen.
Die beiden Schultzes, die ebenfalls in der Forschungsstation auftauchen, stellen sich wie üblich sehr tollpatschig an. So erschrecken sie sich beinahe zu Tode, als ein Skelett angeblich zum Leben erwacht – dem Leser wird schnell deutlich, dass nur ein Röntgenschirm im Spiel ist. Die Schultzes verhaften jedoch kurzum das Skelett aus dem Arbeitsraum eines Arztes.
Schließlich ist die Experimentalrakete startbereit. Der Start gelingt problemlos. Das neu entwickelte Triebwerk zündet einwandfrei und die Rakete umkreist den Mond einmal, um Bilder von der Rückseite des Mondes zu machen, die zuvor noch kein Mensch je gesehen hatte. Als die Rakete aus dem Funkschatten des Mondes auftaucht, gelingt jedoch die Übernahme der Steuerung nicht mehr, da sie aufgrund der gestohlenen Pläne von der feindlichen Macht (deren Hintermänner noch nicht bekannt sind) nun ferngesteuert wird. Tim hatte jedoch mit so etwas gerechnet und dem Professor den Tipp gegeben, kurzfristig einen Sprengsatz zur Selbstzerstörung einzubauen. So wird nun die Rakete gesprengt, damit sie den Gegnern nicht in die Hände fällt. Allerdings sind damit auch die Bilder der Mondrückseite verloren.
Trotz des Rückschlages beginnen nun die Arbeiten an der „richtigen“ Mondrakete. Auch die neuen Raumanzüge werden getestet. Als nach einem etwas missglückten Versuch der Kapitän wieder einmal ausrastet und den Professor als Hampelmann bezeichnet, verliert dieser seinerseits die Contenance und durchbricht sämtliche Sicherheitskontrollen, um Haddock seine Arbeit zu zeigen. Beim Anblick der fast fertigen Rakete bleibt jetzt dem Kapitän die Sprache weg. Ein Zwischenfall ereignet sich noch, als der Professor Tim und dem Kapitän das Innere der Rakete zeigt. Obwohl er sie immer wieder darauf hinweist, dass sie auf die Bodenluken achten sollen, fällt er am Ende selbst hinein und verliert dabei sein Gedächtnis.
Jede Anstrengung, den Professor wieder aus seiner wie hypnotischen Abwesenheit zurückzuholen scheitern zunächst, trotz mehrerer urkomischer Versuche des Kapitäns. Erst als er per Zufall erneut die gleiche Beleidigung ausspricht wie zuvor, wacht er auf. Die restlichen Vorbereitungen laufen planmäßig, bis auf erneute Misstöne des Kapitäns, als er erfährt, dass Trinken und Rauchen an Bord verboten sein sollen.
Der große Tag ist gekommen. Alles ist für den Start bereit. Tim, Struppi, der Kapitän, Professor Bienlein und Wolff betreten die Rakete und legen sich auf ihre Pritschen. Der Countdown wird gestartet und die Rakete hebt tatsächlich wie geplant ab. Die Beschleunigung ist so enorm, dass alle an Bord das Bewusstsein verlieren. Oder sind sie tot? Der Band endet damit, dass die Bodenstation wiederholt Aufrufe an die Rakete absetzt, ohne jedoch eine Antwort zu erhalten.
Die Geschichte wird in Schritte auf dem Mond fortgesetzt.