To The Moon si apre con l'arrivo della Dottoressa Eva Rosalene e il Dottor Neil Watts presso una grande casa costruita su una scogliera, nei pressi di un faro. In questa casa vi abita l'anziano Johnny Wyles, ormai prossimo alla morte, insieme alla badante Lily e ai due figli di lei. I due dottori appartengono alla Sigmund Corp., una società che offre ai suoi clienti la possibilità di esaudire un loro desiderio, attraverso l'impianto di ricordi artificiali. Dato che queste memorie andrebbero in contrasto con le vere memorie del paziente, questo procedimento viene effettuato solo su persone a cui resta poco tempo da vivere, in modo da garantire loro una morte serena e senza rimpianti.
Eva e Neil hanno il compito di esaudire le volontà di Johnny, il quale in passato ha contattato la Sigmund Corp. con una richiesta ben precisa: la memoria di un viaggio sulla luna. Per poter svolgere il loro lavoro, i due dottori hanno bisogno di conoscere il motivo alla base di questo inusuale desiderio. Non riuscendo a reperire informazioni in merito, né da Lily né attraverso gli oggetti presenti in casa, i due dottori entrano nella mente di Johnny attraverso l'ultimo ricordo accessibile. Tuttavia, lo stesso Johnny non non sa spiegare loro la natura di questa richiesta, anzi non sembra nemmeno ricordarsi di aver mai desiderato una cosa del genere. Pertanto i due dottori sono costretti ad esplorare i ricordi di Johnny per trovare le informazioni necessarie. Ma poiché la tecnologia della Sigmund Corp. permette solo dei piccoli balzi temporali, essi dovranno viaggiare a ritroso attraverso la memoria di Johnny. Per poter compiere ogni salto, Eva e Neil devono recuperare cinque link mnemonici attraverso l'analisi degli oggetti, delle persone e dei luoghi che fanno parte di ogni singolo ricordo. Ognuno di questi link servirà a ricostruire un intricato puzzle che li porterà a ricostruire la vita di Johnny, passando attraverso l'età adulta, l'adolescenza e l'infanzia.
