Папа Наташи — космонавт. Он отправился на Луну, но в ходе внеземного путешествия произошла авария, что делает невозможным возвращение домой. Девочка уверена, что в спасательной операции обязательно должен принять участие её пес Тобик. В ходе путаницы в обсерватории в коробке, которая приготовлена для вояжа собаки в космос, оказался друг Наташи Коля. Вскоре экипаж корабля обнаруживает мальчика, но уже поздно — экспедиция продлится минимум двенадцать дней.

Многие сюжетные характеристики мультфильма Полет на Луну совпадают с научно-фантастической картиной Космический рейс (1935). В детской ленте космодром, центр полетов и обсерватория находятся в советской столице. В 1950-е годы такая идея для Москвы была выполнимой. Специально для короткометражки нарисовали аналоги реальных зданий сталинской архитектуры.

Считается, что это первая работа в жанре фантастики в Советском Союзе в послевоенное время. Премьера состоялась 13 апреля 1953 года, а 12-го числа через восемь лет произошел исторический подъем человека на околоземную орбиту. А вот вояж на Луну первыми осуществили американцы через шестнадцать лет после выхода мультипликационной ленты. В конце 1950-х некоторые кадры детского фильма использовали для сериала Исследователи космоса (США).