
A narrativa começa na cidade de Roterdão, que entra em alvoroço com a aparição nos céus de um balão bizarro, construído com jornais sujos e tripulado por uma criatura de aspeto peculiar. Esse ocupante deixa cair um manuscrito destinado às autoridades, assinado por Hans Pfaall, um humilde reparador de foles da cidade que se encontrava misteriosamente desaparecido há cinco anos, tal como três dos seus credores.
Através do manuscrito, Pfaall relata como a pobreza extrema e a perseguição diária e insuportável desses credores o levaram ao desespero. Inspirado pela leitura de um livro de astronomia e pneumática, decide conceber um plano de fuga audacioso: constrói um balão gigante em segredo, utilizando um novo gás por si descoberto, que é imensamente mais leve do que o hidrogénio. Para concretizar a partida, engana os credores, pedindo-lhes ajuda nos preparativos finais. Durante a descolagem, aciona um mecanismo com pólvora que resulta numa enorme explosão; o impacto não só atira o balão violentamente para os céus, como elimina os três credores que tinham ficado no chão.
A viagem começa de forma quase fatal, com Pfaall a ficar acidentalmente pendurado de cabeça para baixo, do lado de fora da barquinha, na sequência do solavanco da explosão inicial. Após um esforço agonizante e terror extremo, consegue finalmente içar-se de volta para o interior do cesto. À medida que ganha altitude, Hans reflete sobre a miséria e o desespero em Roterdão que o levaram a preferir esta arriscada fuga pelo espaço ao suicídio. O relato é pautado por constantes observações científicas e raciocínios matemáticos sobre a distância da Terra à Lua, a atração gravítica e a densidade da atmosfera.
Ao atingir camadas mais elevadas, o protagonista depara-se com um sofrimento físico atroz devido à rarefação do ar, sofrendo de espasmos, inchaço e sangramentos severos nos ouvidos, nariz e olhos. Para escapar à morte iminente, coloca em prática a sua invenção salvadora: envolve toda a barquinha num invólucro hermético de borracha e ativa um engenho condensador capaz de purificar o ar rarefeito do exterior, permitindo-lhe voltar a respirar com facilidade e aliviando as suas dores.
O resto do trajeto descrito alterna entre a contemplação fascinada do espaço e da Terra escurecida, e as tragédias e desafios logísticos diários. Entre eles, destaca-se a perda acidental da sua gata e respetivos gatinhos, que caem do balão, e a necessidade de inventar um sistema de alarme mecânico com água para o acordar a espaços regulares (hora a hora) durante a noite, garantindo que opera o condensador de ar e não morre asfixiado enquanto dorme. O estratagema adotado por Hans Pfaall para purificar o ar e conseguir respirar na atmosfera altamente rarefeita consistiu na criação de um ambiente totalmente isolado, associado a um aparelho de condensação. Para o efeito, envolveu toda a barquinha do balão e a si próprio num resistente e flexível saco de goma-elástica, perfeitamente hermético. No interior desta câmara improvisada, instalou a sua máquina condensadora, cujo extenso tubo comunicava com o exterior através de uma abertura no invólucro. Este aparelho criava um vácuo que aspirava a atmosfera rarefeita circundante, condensando-a para que se misturasse com o ar leve já presente no habitáculo, tornando a atmosfera própria para respiração após a operação ser repetida diversas vezes. No entanto, como o ar num espaço tão confinado ficava rapidamente viciado pelo uso dos pulmões, Pfaall instalou uma pequena válvula no fundo da barquinha para o evacuar. Para evitar o efeito nefasto e potencialmente fatal de criar um vácuo total no interior da câmara, esta purificação nunca era feita de súbito, mas sim de maneira gradual: abria a válvula apenas por alguns segundos para expelir o ar denso e viciado, fechando-a de seguida para que a bomba do condensador introduzisse e repusesse uma quantidade correspondente de ar fresco processado.
Durante a sua odisseia, Pfaall mantém um diário rigoroso das suas observações astronómicas e geográficas, como o achatamento dos polos da Terra e uma profunda concavidade no Polo Norte. Para sobreviver à viagem, relata o uso de um engenhoso sistema de alarme feito com água, que o desperta hora a hora para operar a sua máquina de purificação de ar e evitar a asfixia. À medida que se aproxima do destino, os desafios intensificam-se. Ele sobrevive à quase colisão com gigantescos fragmentos vulcânicos e meteoritos e descreve um momento de pânico absoluto quando a atração gravitacional se inverte, fazendo com que a Lua passe a estar subitamente debaixo dos seus pés e a Terra por cima de si.
A descida para a superfície lunar é perigosamente veloz. Apesar de a atmosfera lunar o ajudar a travar, Pfaall vê-se forçado a desmantelar a sua câmara protetora, atirar borda fora todo o seu equipamento e pendurar-se na rede do próprio balão para sobreviver ao impacto. Aterra finalmente no coração de uma cidade de aspeto fantástico, habitada por criaturas pequenas, feias, sem orelhas e que não comunicam pela fala. A narrativa destes excertos culmina com a revelação de que Hans Pfaall sobreviveu e reside na Lua há já cinco anos, oferecendo-se agora para partilhar com os astrónomos da Terra todos os profundos mistérios, costumes e segredos geológicos do satélite que teve a oportunidade de explorar.
O manuscrito termina com Hans a solicitar um perdão oficial às autoridades de Roterdão pelo homicídio dos seus credores aquando da partida do balão. Em troca deste perdão, ele oferece conhecimentos profundos e revolucionários sobre a ciência física e metafísica. Hans revela ainda que o mensageiro bizarro que entregou a carta é, na verdade, um habitante da Lua que ele convenceu a viajar até à Terra, ficando agora a aguardar o seu regresso com o tão desejado perdão.
Após a leitura, as autoridades locais, representadas pelo professor Rubadub e por Mynheer Superbus von Underduk, ficam estupefactas, mas concordam em perdoar o crime. Contudo, apercebem-se de que o mensageiro lunar, mortalmente assustado com a aparência da população, tinha desaparecido, impossibilitando assim que o perdão chegasse às mãos de Hans.
Quando o conteúdo da carta é tornado público, gera-se uma onda de especulação e ceticismo, com várias pessoas sensatas a considerarem tudo um enorme embuste. Os céticos baseiam-se em factos muito práticos: o suposto extraterrestre assemelhava-se a um anão sem orelhas que desaparecera recentemente da cidade de Bruges; o balão tinha sido fabricado com jornais impressos em Roterdão; e, como prova final da farsa, o próprio Hans Pfaall e os três credores que ele alegava ter assassinado tinham sido vistos, escassos dias antes, a beber numa taberna local, acabados de regressar de uma viagem por mar e com dinheiro nos bolsos.
O final propriamente dito do conto é seguido de uma extensa Nota que o encerra, uma espécie de reflexão crítica e literária do próprio Edgar Allan Poe. Nesta secção, o escritor defende a originalidade da sua obra, fazendo questão de sublinhar que "Hans Pfaall" foi publicado cerca de três semanas antes do célebre "Embuste da Lua", uma fraude literária de Richard Adams Locke que se tornou famosa na época. Poe dedica grande parte do texto a criticar a facilidade com que o público se deixou enganar por esse embuste, dissecando os seus erros científicos absurdos e a falta de rigor astronómico e ótico.
Para além desta crítica, o autor compara o seu conto a outras obras clássicas sobre viagens à Lua. Ele resume enredos de outros livros, detendo-se particularmente na história de um homem que viaja até ao satélite terrestre numa máquina puxada por enormes pássaros migratórios (ganzas). Menciona ainda as histórias satíricas de Cyrano de Bergerac e de outras personagens que voam em águias, apontando sistematicamente as falhas e o total desrespeito pela física e pela astronomia nestes relatos.
O texto destas páginas culmina com a conclusão final de Poe sobre o seu próprio trabalho. Ele afirma que, ao contrário de todos os outros autores de panfletos e brochuras lunares — que visavam apenas a sátira e nunca se preocuparam com a plausibilidade —, o grande objetivo e originalidade de "Hans Pfaall" é a busca pela verosimilhança. A sua história demarca-se por aplicar princípios científicos reais de forma a dar uma aparência de total credibilidade e realismo a uma viagem profundamente fantasiosa.