Auf dem Transport nach Grossbritannien wird ein von Drax Industries gebautes Space Shuttle, «Moonraker», mitsamt Trägerflugzeug gestohlen, wobei die Maschine explodiert. Da die Briten das Shuttle nur geliehen hatten, setzt M James Bond auf den Fall an, um den Hersteller Hugo Drax zu prüfen. Beim Besuch von Drax’ Anwesen und Spaceplane‑Anlage in Kalifornien lernt Bond den kultivierten, aber misanthropischen Milliardär kennen sowie seine Wissenschaftlerin Dr. Holly Goodhead, die sich als Astronautin entpuppt. Drax lässt Bond umgehend töten – zunächst in einer ausser Kontrolle geratenen Zentrifuge, dann durch einen Jagdunfall –, doch Bond überlebt beide Anschläge.

Mit Hilfe von Drax’ Pilotin Corinne findet Bond in dessen Büro Zeichnungen einer Glasampulle aus einer Manufaktur in Venedig. Kurz darauf lässt Drax Corinne von seinen Hunden jagen und töten, weil sie Bond geholfen hat. In Venedig entdeckt Bond in einer scheinbar harmlosen Glasfabrik nachts ein geheimes Labor, in dem ein Nervengas entwickelt wird, das für Menschen tödlich, für Tiere jedoch ungefährlich ist. Bei einem Kampf mit Drax’ Leibwächter Chang in einem Museum stürzt dieser durch ein Uhrenglas in den Tod, Bond kann eine Ampulle sichern. Tags darauf ist das Labor spurlos verschwunden; M wird vorgeführt, lässt die Ampulle aber analysieren und gestattet Bond, «im Urlaub» weiter zu ermitteln.

Die Spur führt nach Rio de Janeiro, wo Bond erneut auf Holly Goodhead trifft, die sich als CIA‑Agentin enttarnt. Drax setzt nun Jaws auf Bond an, der mehrere Anschläge in Seilbahnen, auf Strassen und im Dschungel überlebt und schliesslich durch die Liebe zu der kleinen Dolly vom eiskalten Killer zum Verbündeten wird. In einem versteckten Dschungelhafen stösst Bond auf eine Moonraker‑Startrampe und erkennt, dass Drax mehrere Shuttles bereitstehen hat. Bond und Goodhead gelangen an Bord eines Moonraker‑Shuttles, das zu einer riesigen Raumstation startet, die per Tarnfeld vor Radars verborgen ist.

In der Station enthüllt Drax seinen Plan: Er hat eine Gruppe genetisch ausgewählter, schöner junger Menschen an Bord gebracht, die als «Neustart» der Menschheit dienen sollen. Von der Station aus sollen Globen mit dem Nervengas in die Erdatmosphäre geschossen werden, um alles menschliche Leben zu löschen; die Kolonisten sollen danach zur Erde zurückkehren. Bond und Goodhead deaktivieren die Radartarnung, sodass die Station für die USA sichtbar wird, die ein Marine‑Shuttle mit bewaffneten Astronauten entsenden. Es kommt zur skurrilen Weltraumschlacht mit Lasergewehren im freien Raum.

Drax versucht zu fliehen, doch Bond trifft ihn mit einer Giftpfeil‑Dartkugel und stösst ihn durch eine Luftschleuse ins All. Jaws und Dolly helfen Bond und Goodhead bei der Flucht, bevor die Station durch Selbstzerstörung und Beschuss zerbirst; Jaws überlebt mit Dolly in einem separaten Modul. Bond und Goodhead verfolgen in einem Moonraker‑Shuttle die letzten drei Giftkugeln, die Richtung Erde fallen, und zerstören sie kurz vor dem Wiedereintritt mit dem Bordlaser. Am Ende wird ihr Shuttle‑Innenraum per Video nach London übertragen, wo die Premierministerin Bond in flagranti bei «Schwerelosigkeits‑Studien» erwischt.