У Москві в астромістечку Інституту міжпланетних сполучень імені К. Е. Ціолковського групою радянських учених проводяться досліди з підготовки польоту на Місяць. Серед учених інституту виникають серйозні розбіжності. Усупереч надмірно обережним скептикам знаменитий астрофізик академік Сєдих, творець велетенського супер-космічного ракетоплана, призначає довгожданий політ на супутник Землі. З ним летять аспірантка Марина і юний винахідник Андрійко, що потайки пробрався в кабіну ракетоплана.
Ракетоплан у польоті. Наближається Місяць. Нарешті ракета здійснює посадку. Мандрівники виходять на «місячну землю». Їхні ноги взуті у свинцеві черевики, на грудях у них радіоприймачі, на спині ранці з киснем. Але мандрівники не бачать Землю. Професор Сивих визначає по карті координати і встановлює, що ракетоплан упав по той бік Місяця, який ніколи не буває звернений до Землі. Сивих, Марина і Андрійко блукають по місячним обширам, знаходять щось схоже на сніг - замерзлі залишки місячної атмосфери. Мандрівники безпечно повертаються на Землю. У Москві перших астронавтів зустрічають з тріумфом.
Для зйомки сцен у невагомості вперше були використані спеціальні технічні засоби, розроблені оператором-постановникомОлександром Гальперіним спільно з майбутнім найбільшим конструктором авіадвигунів Олександром Мікуліним[2]. У декорації кабіни космічного корабля був побудований спеціальний операторський кран. На спеціальному майданчику крану, який міг вільно рухатися в горизонтальному і вертикальному напрямах, розміщувалися актор і кінознімальний апарат з кінооператором. За рахунок свободи руху і нахилів майданчика вдавалося зняти середні та великі плани акторів на фоні, що рухався[2].
Для зйомки імітації невагомості з обертанням персонажа була побудована інша установка, в якій рухливий фон обертався відносно нерухомо підвішеного актора синхронно з камерою, також встановленою на поворотній платформі[3]. Трос з гумовим амортизатором, що використовувався для підвіски акторів, забарвлювався в колір фону для маскування. Отримані кадри виявилися настільки достовірними, що через декілька десятиліть справжні космонавти були захоплені зображенням невагомості. Космонавт Георгій Береговий сказав після перегляду фільму[3]:
На нас приголомшливе враження зробило «плавання» екіпажа в стані невагомості: усе було знято настільки точно, що можна було вважати кадри… за документальні, зняті усередині «Салюта»
Фільм «Космічний рейс» став дебютом у кіно відомого актора Сергія Столярова, що зіграв начальника старту.
За спогадами Василя Журавльова[4], при підготовці до створення фільму ідея запросити Костянтина Ціолковського консультантом прийшла до нього після перегляду кінохроніки про Калугу «днями раніше». Не знаючи адреси Ціолковського, Журавльов просто вказав в телеграмі: «Калуга, К. Е. Ціолковському». Через декілька днів Журавльов отримав бандероллю книгу К. Е. Ціолковського «Поза землею» і лист зі згодою брати участь у проекті. За два тижні Журавльов зі своїми колегами поїхав в Калугу, на зустріч з К. Ціолковським.