Combinant exposé scientifique et récit de science-fiction, Les premiers hommes sur la lune présente d'abord une longue introduction sous forme de questions-réponses dans laquelle Wernher von Braun répond aux interrogations du lecteur sur la propulsion par fusée, la navigation spatiale, la biologie en apesanteur, les radiations cosmiques et les enjeux philosophiques de l'exploration de l'espace. Le récit proprement dit, découpé en trois chapitres, suit John Mason et Larry, deux pilotes américains qui effectuent le premier voyage habité vers la Lune, depuis le lancement sur un atoll du Pacifique jusqu'à l'exploration du sol lunaire et le retour sur Terre à vitesse hypersonique. Chaque épisode fictif est doublé de schémas techniques précis, conférant à l'ouvrage une valeur documentaire qui dépasse son cadre narratif.