Трое пионеров — Петя Терещенко, Сэнди Робинсон и Коля Хомяков — наблюдают за звездным небом в своей мини-обсерватории. Интерес к космосу у них возник после того, как отец их подруги Наташи отправился в экспедицию на Луну. Неожиданно связь с космическим кораблем «Р-1» пропадает, и Коля отправляется в обсерваторию узнать, что же произошло.
Там он встречается с профессором Бобровым и представляется председателем «Международного Общества Межпланетных Сообщений имени Циолковского». Ученый весьма удивлен такому визиту. Его смущает, как же может организация из трех человек быть международной. Коля поясняет ему, что он русский, Петя — украинец, а Сэнди — афроамериканец.
Профессор рассказывает, что «Р-1» произвел неудачную посадку, и они готовят к отлету спасательную экспедицию. После того как Коля вернулся с этой новостью к друзьям, они встречают Наташу и решают ей ничего не говорить, но она уже все знает. Девочка просит отправить со спасательной экспедицией, в помощь отцу, своего ученого пса Тобика, и ребята соглашаются ей помочь.
По случайной ошибке на космический корабль попадает Коля и прибывает с профессором и женщиной-космонавтом Софьей Андреевной на Луну. Там они отправляются на поиски «Р-1» и попадают под метеоритный дождь. Бобров повреждает ногу и дальше отправляет мальчика одного. Он находит отца Наташи, они забирают профессора, чинят «Р-1», и обе ракеты возвращаются на Землю.
