Il y a trente ans, le professeur Manfeldt s'est fait ridiculiser par un aréopage de ses confrères en prétendant qu'il y aurait des mines d'or sur la lune. Aujourd'hui, Wolf Helius, qui veut construire une fusée pour se rendre sur l'astre mort, rend visite au vieux professeur et cherche des commanditaires. Friede Velten et son fiancé, l'ingénieur Hans Windegger, sont intéressés par le projet. Un groupement financier qui contrôle le marché de l'or accepte de financer l'expédition, après que le mystérieux Turner leur a montré des cartes et des photographies de la face cachée de la lune et à condition qu'il fasse partie du voyage.
Lorsque tout est prêt, les astronautes sont désignés : Helius, Turner, Frieda Venten et Mansfeldt. Un jeune garçon les accompagnera comme aide. Le départ de la fusée a lieu sans incident et, au bout d'un voyage mouvementé, les explorateurs arrivent sur le sol lunaire.
Wolf Helius s'éveille le premier de l'évanouissement provoqué par le départ. Il va vers Friede Velten. Hans les voit et sa jalousie s'éveille. Arrivés sur la lune, Manfeldt découvre de l'or. Turner le tue et meurt non sans avoir percé les réserves d'oxygène. Une personne devra rester sur la lune. Le hasard désigne Hans mais Wolf se sacrifie. Il voit la fusée s'envoler. Il pleure et, en se retournant, voit que Friede est restée, elle aussi. Saurait-il y avoir plus belle preuve d'amour ?
Pour Gérard Camy (Télérama) : "Cette Femme sur la lune est à la fois la dernière uvre muette de Fritz Lang et l'ultime superproduction des studios UFA avant la crise de 1929. Mais derrière l'évasion magique de la science-fiction, le film puise son originalité dans le réalisme pointilleux d'une recherche spatiale menée alors par les savants Hermannn Oberth et Fritz von Hoppel, conseillers techniques sur le film et futurs artisans de la conquête de l'espace. La première partie se déroule sur la terre. La deuxième partie, introduite par l'impressionnant départ de la fusée, a pour théâtre la Lune, dont la surface de sable clair cache des grottes mystérieuses qui suscitent curiosité et espérances de "trésors" de la part du groupe. Lang aime les situations de tensions extrêmes, de rapports obligés, d'intimités discrètes entre des personnes forcées de vivre ensemble. Sa mise en scène limpide habille ce joli conte moral d'un humour délicieux, d'une poésie naïve et d'un suspens acéré. Tintin n'est pas bien loin."