Le millionnaire Hugo Drax triche aux cartes, le délit le plus grave dans la société anglaise polie. L’agent spécial James Bond est amené à remettre Drax à sa place, et Bond l’humilie dans une partie de bridge tendue. Après la partie, Drax l’avertit qu’il ferait mieux de dépenser ses gains rapidement. Bond trouve ce commentaire suspect mais ne s’y attarde pas sur le moment. Peu de temps après, Bond rencontre à nouveau Drax alors qu’il est affecté à la sécurité dans les installations Moonraker de Drax où il construit une fusée de classe mondiale qui sera capable de transporter une bombe atomique vers n’importe quelle ville d’Europe. Bond sent quelque chose de suspect mais ne trouve aucune preuve de contravention. La veille du lancement du Moonraker, Bond, avec l’aide du policier Gala Brand, découvre que Drax est en réalité un agent allemand travaillant pour les Soviétiques. Il envisage d’envoyer le Moonraker dans le centre de Londres et de faire exploser une bombe atomique. Avant de pouvoir avertir qui que ce soit, Bond et Brand sont capturés et retenus captifs. Il ne reste que quelques heures avant que le plan ne soit mis en œuvre, et Bond doit trouver un moyen de s’échapper et d’arrêter le fou.
Sir Hugo Drax semble être un brillant exemple de tout ce que la Grande-Bretagne peut réaliser. Après la Seconde Guerre mondiale, c’est un soldat amnésique, sans aucune idée de qui il est. Les médecins militaires soupçonnent qu’il s’agit d’un orphelin nommé Hugo Drax, et il prend cette identité. Après la guerre, il gagne des millions dans des affaires à l’étranger puis retourne en Angleterre pour dépenser sa fortune. Il fait des dons à de nombreuses bonnes causes à travers le pays et gagne l’amour du public britannique. Pendant la guerre froide, il s’engage à financer et à créer la fusée Moonraker, un énorme missile capable de lancer une bombe atomique sur n’importe quelle ville d’Europe. À la suite d’un meurtre-suicide suspect survenu dans les installations de Moonraker, l’agent secret James Bond est amené à observer secrètement les événements quelques jours avant le premier lancement du missile.
Bond travaille avec un policier de Scotland Yard, la belle Gala Brand. Brand est également infiltré en tant que secrétaire de Drax dans les installations de Moonraker. Drax a fait appel à une équipe entièrement composée d’Allemands pour construire le missile, que Bond trouve tous suspects mais ne trouve rien de solide pour prouver qu’ils font quelque chose d’illégal. La veille du lancement du Moonraker, Bond et Brand marchent ensemble sur la plage quand quelqu’un tente de les tuer. Ils réalisent rapidement que ce doit être quelqu’un qui travaille sur le Moonraker mais ne peuvent pas le lier à Drax. Alors que Brand espionne secrètement Drax, elle découvre ses véritables plans. Il a secrètement programmé le Moonraker pour lancer une bombe atomique au centre de Londres. Avant de pouvoir avertir quiconque de sa découverte, elle est capturée et retenue captive.
Bond tente de sauver Brand mais est ensuite lui-même capturé. Alors que Bond et Brand sont liés ensemble, Drax leur raconte son histoire. Ce n’est pas un Britannique mais un Allemand. Il a pris l’identité de Drax après la guerre et a prévu de se venger de l’Angleterre pour son rôle dans l’humiliation de l’Allemand et de lui-même pendant la guerre. Il a travaillé avec la Russie pour construire la bombe atomique, et les ingénieurs allemands sont en fait ses anciens subordonnés dans l’armée allemande. Ils s’échapperont tous après le lancement du Moonraker. Drax laisse Bond et Brand seuls, leur disant qu’ils seront tués par le retour de flamme de la fusée lors du lancement.
Avant le lancement, Bond et Brand parviennent à s’échapper et à se cacher dans les installations de Moonraker. N’ayant pas de temps à perdre avant la destruction de Londres, Bond redirige le missile vers la mer où il touche un sous-marin russe transportant Drax et son équipe. Une fois Londres sauvée, Bond a hâte de nouer une relation avec Brand. Cependant, il est attristé lorsqu’elle le rejette en raison de ses précédentes fiançailles avec un autre homme. Bond est confronté au succès de la mission mais à la perte de la fille dont il est tombé amoureux.