Sur Terre, la situation est critique : le climat se détériore inexorablement et les tensions politiques s'accroissent. Une coalition internationale espère envoyer le plus de gens possible sur Mars avant que la planète bleue ne devienne inhabitable, mais il est évident que tout le monde ne pourra pas partir. Les manifestations contre le projet de conquête spatiale virent à l'émeute et des tentatives de sabotage des fusées sont mises au jour.

Le FBI craint désormais un attentat de grande ampleur visant la colonie lunaire, première étape vers Mars, ce qui condamnerait définitivement le programme spatial. Nicole Wargin, l'une des premières femmes astronautes, amie d'Elma York, se voit confier une mission en urgence pour le déjouer sur place. Malheureusement, le moment est plutôt mal choisi pour quitter la Terre : son mari, gouverneur du Kansas, envisage de se lancer dans la course à la nouvelle Maison-Blanche. Alors qu'Elma est à mi-chemin de Mars, si Nicole échoue, la survie de l'humanité pourrait être compromise.

Avec Sur la Lune, Mary Robinette Kowal donne une nouvelle orientation à sa série de la « Lady Astronaute » : la science-fiction se teinte de thriller et d'espionnage. Politique, trahison, attentats et tentatives d'assassinat pimentent cette nouvelle aventure qui peut se lire indépendamment des précédentes.