《独行月球》讲述了月盾计划中心的维修工沈腾在月球上执行了八年任务，任务圆满结束后，他鼓足勇气想着给自己暗恋八年的女人，指挥长马蓝星告白。
没想到陨石撞击月球，其他队友接到通知紧急撤离逃生，而沈腾沉浸在自己写的情书里，错过逃生机会。
后来沈腾多次试着联系地球上的人却没得到回应，他以为地球遭到陨石袭击，已毁灭，自己成了地球上最后一人，所以很绝望，因为害怕孤独，所以他想着了结自己。但在那之前，他得实现自己的愿望。
让人不可思议的是，他的愿望竟然是进入马蓝星的房间看看。
为达成心中所愿，他试了很多次密码都以失败告终，忽然他灵机一动，想着用炸药包炸掉房间门。
他的聪明劲让他如愿以偿。他进了马蓝星房间，还跟马蓝星的照片喝酒。
因为不小心弄脏了马蓝星的照片，他对着马蓝星的照片一顿狂亲。为了拿到睡得死的药水，他跟暴躁的金刚鼠，斗智斗勇，最后甚至打扮成一漂亮的雌性金刚鼠，对金刚鼠施“美鼠计而让金刚鼠信以为真，抓着不放。
可以说，沈腾一个人几乎承包了所有笑点，看着这些画面，周边的人无不笑得前仰后合，可笑着笑着就哭了。
这本是一部喜剧片，最后却以悲剧告终。
沈腾对马蓝星一见钟情沈腾去月盾计划中心面试，他是动力学工程师，面试官却告诉他，工程师岗位已满，只剩下维修工，他拒绝离开。
可乘电梯的时候沈腾扮演的独孤月跟马蓝星偶遇，他对马蓝星一见钟情，为了经常见到马蓝星，他同意了作为维修工留在月盾计划中心。
他们共事八年，每次都是擦肩而过，沈腾好几次想表白，但都因为自己的自卑和怯懦不告而终。他甚至都不怎么敢正视马蓝星。暗恋八年，他愣是不敢朝马蓝星多迈一步。
对马蓝星来说，沈腾不过是她连名字叫不上来的路人甲，一个不起眼还不靠谱的小人物。
想写情书表白，却错过撤离时间月盾计划中心的人圆满完成任务，准备撤离，沈腾想着趁着机会跟马蓝星告白，却在看到马蓝星那刻又怂了，赶紧逃走。
