У молодого биолога Леонида Артемьева, от имени которого ведётся повествование, была очаровательная соседка Антонина Ивановна, которую он про себя ласково называл Тоней. Тоня также была учёным, и он интересовался ею. Однажды Леониду подвернулся повод зайти в гости к Тоне и познакомиться лучше — у Леонида сломался радиоприёмник. Спустя несколько дней после того, как Антонина его исправила, Леонид испортил его нарочно и зашёл второй раз. Осмотрев неисправность, Антонина отказалась ремонтировать. Спустя небольшое время Леонид сам ей сказал, что радиоприёмник работает. С этого времени началось их общение и совместные прогулки по Ленинграду. Когда Леонид гулял один, ему повстречался какой-то чернобородый мужчина. Встречный спросил, знаком ли Леонид с Тоней и попросил передать ей о Палее, а также слова Памир и КЭЦ. Услышав это, Тоня сразу же решает куда-то ехать и предлагает Леониду ехать с ней. После раздумий Леонид соглашается, и они едут в ракете на Памир. Там Леонид и Антонина узнают фамилию чернобородого мужчины — Евгеньев — и то, что он отправился на звезду КЭЦ. Антонина объясняет Леониду, что она и Палей вели научную работу в области электротехники, Палей вёл все записи и неожиданно уехал, не оставив ей ничего. Без этих записей она не может закончить эту работу, и поэтому хочет найти Палея.
На Памире ему открываются новые вещи. Рассказчик узнаёт, что отсюда в космос летят и возвращаются ракеты. Вскоре герои отправляются в космос, на Звезду КЭЦ. Это второй искусственный спутник Земли, на котором живут и изучают космос люди. Спутник, ракеты и многие другие вещи сделаны по проектам Циолковского, и именно по этой причине они носят такое название — инициалы учёного.
Со Звезды КЭЦ Артемьев и ещё несколько человек отправляются на Луну, где они делают удивительные открытия. Они летят на ракетной машине над обратной стороной спутника и обнаруживают огромную трещину. Отсюда они делают вывод, что Луна трескается и гибнет, в результате чего через несколько сотен лет вместо Луны Земля будет иметь кольцо, подобное кольцам Сатурна. Артемьев находит на поверхности Луны признаки жизни. Это зелёные растения (ползающие мхи), которые прилипают к камням и берут их энергию. Он также видит какое-то существо, похожее на камень, которое мало описано в книге. Во время пребывания на Луне Леонид находит кладбище неизвестных животных и неизвестные науке растения; также экспедиция нашла много драгоценных камней.
По возвращении Артемьев переходит работать в зоолабораторию, где он подружился с летающей собакой Джипси. На втором спутнике учёные вырастили огромные фрукты и овощи (размером с человека), используя преображённую солнечную энергию. Также здесь есть животные-гибриды, у которых под действием космических лучей начались мутации. Джипси оказалась чрезвычайно умной собакой, понимающей человеческую речь. Леонид начинает учить Джипси отвечать людям, хотя эти ответы понимает лишь он. В процессе работы Леонид отмечает, что у сотрудника Крамера начинает меняться характер, в частности, бывают резкие перепады настроения и он подозревает остальных людей в чём-то, что известно только ему. Во время одного из своих визитов в лабораторию Крамер выразил желание пообщаться с Зориной наедине, и Леонид оставляет их. Но рядом с ними остаётся Джипси, которая в первый раз отказалась слушаться Леонида и сообщила ему, что будет охранять Зорину. Спустя некоторое время из лаборатории послышался шум и лай Джипси. Вернувшись туда, Леонид увидел, что Крамер душит Зорину. Пока Леонид пытался спасти сотрудницу, Джипси по команде поднял тревогу, нажав нужную кнопку. Прибывшие на место происшествия сотрудники связали Крамера и доставили его к врачу. Выяснилось, что Крамер заболел вследствие продолжительного действия космического излучения.
Прошло 8 месяцев после того, как Леонид покинул Землю. Звезда КЭЦ готовилась к празднованию годовщины её создания. На торжественном докладе директор подвёл итоги звёздного года, назвав истинным героем и завоевателем звёздного пространства Евгения Евгеньева. При первых же словах его доклада Антонина побледнела, ответив Леониду, что это Палей, она его узнала по голосу. После торжественной части состоялся разговор Евгеньева-Палея с Антониной и Леонидом. Он объяснил, что во время женитьбы взял фамилию жены. Антонина назвала Леонида своим женихом. А Палей сказал, что все записи оставались у его сестры, которая живёт рядом с Антониной.
Роман завершается небольшим описанием событий спустя несколько лет. Леонид и Антонина стали мужем и женой, у них сын-школьник. Леонид стал профессором, как и Антонина. И эта книга появилась на свет потому, что Леониду захотелось ещё раз пережить все приключения, связанные с его необычной женитьбой.