Pokemon Sun i Księżyc zaczyna się od filmu przedstawiającego postać o imieniu Lillie i jej Pokemona, Cosmoga o pseudonimie Nebby. Próbuje uciec przed strażnikami, a Pokemon używa jasnego błysku, tworząc coś w rodzaju eksplozji, gdy chowa się w jej torbie. Gra przełącza się na postać gracza przybywającą do Aloli na wyspie Melemele, gdzie zostaje przedstawiona profesorowi Kukui i jego młodemu kumplowi Hau.

Postać gracza spotyka się z Lillie, której Cosmog jest atakowany na moście. Graczowi udaje się uratować Cosmoga, ale most się psuje i na ratunek przybywa legendarny Pokemon o imieniu Tapu Koko. To ustawia postać gracza na przeznaczeniu wybrukowanym wspaniałością i otrzymuje jednego z trzech początkowych Pokemonów wraz z zadaniem ukończenia siedmiu prób na czterech wyspach Alola, w tym na wyspie Melemele, wyspie Akala, wyspie Poni i wyspie Ula'Ula .

Podczas podróży postać gracza będzie wchodzić w interakcję z Hau i Lillie, a także będzie walczyć z różnymi bandytami i złodziejami po drodze z Team Skull. Podczas podróży postać gracza zaczyna rozumieć sekrety Aloli i tego, że zamiast tradycyjnych bitew w sali gimnastycznej, ma siedem prób na czterech wyspach. Ktokolwiek ukończy wszystkie próby i pokona Pokemona Totemu po jego przyzwaniu, będzie musiał zmierzyć się z Elitarną Czwórką, aby spróbować swoich sił w zostaniu Wielkim Mistrzem Trenerem Pokemonów w Aloli. Postać gracza otrzyma od trenerów kryształy Mocy Z, aby stać się wystarczająco silna, aby walczyć z Pokemonami Totem, a być może nawet zmierzyć się ze strażnikiem wyspy, Tapu Koko.

Po drodze okazuje się, że Lillie przebywa z profesorem Kukui, dopóki nie stanie na nogi. Zarówno ją, jak i Cosmoga znaleziono nieprzytomnego na plaży Alola, a profesor i jego żona przygarnęli Lillie i Cosmoga, aby przywrócili ich do zdrowia.

Lillie zamierza pomóc Kosmogowi wrócić do domu. To prowadzi ją, postać gracza i Hau na sekretną wyspę pomiędzy czterema głównymi wyspami, zwaną Aether Paradise, gdzie okazuje się, że istnieją specjalne Pokemony znane jako Ultra Bestie z alternatywnych wymiarów. Placówka badawcza bada te bestie i portale, które do nich prowadzą, aby lepiej zrozumieć Ultra Bestie.

Kiedy w końcu trafiają na wyspę Ula'Ula, dowiadują się, że Solgaleo i Lunala zaciekle walczyły w pewnym momencie o wyspy Alola po tym, jak Solgaleo terroryzował ludzi. Lunala przybyła na ratunek i ostatecznie mieli dziedzica w postaci Cosmoga.

Lider Zespołu Skull, Guzma, próbuje udaremnić dążenie Kukui do zbudowania Ligi Pokemon na Aloli, ale Profesor używa postaci gracza do walki z Guzmą i upokarzania go na oczach przyjaciół. Po walce Gladion, członek emo Team Skull, ostrzega Hau i postać gracza, że ​​muszą chronić Cosmoga przed Team Skull i innymi osobami próbującymi dostać go w swoje ręce, ponieważ ma on zdolność przywoływania legendarnych potworów. To prowadzi postać gracza do przeniesienia walki do bazy Zespołu Skull, aby raz na zawsze zniszczyć ich.

Jednakże, podczas gdy postać gracza walczy z Zespołem Skull w ich macierzystej bazie, inny członek o imieniu Plumeria chwyta Lillie i Cosmoga. Gladion prowadzi grupę do Aether Paradise, aby uratować Lillie i Cosmoga.

Dowiadują się, że Cosmog jest rzekomo Ultra Bestią z innego wymiaru zwanego Ultra Przestrzenią i że pod przymusem Cosmog może otworzyć Ultra Tunele Czasoprzestrzenne do nowych wymiarów. Eterowy Raj próbuje rozdzierać i rozdzierać Cosmog, aby użyć go do otwarcia wymiarów dla własnej korzyści.

Postać gracza i Hau w końcu docierają do głównego biura, gdzie odkrywają, że Lillie jest córką Lusamine, szefowej Aether Paradise. Lillie próbowała uratować Cosmoga z centrum po tym, jak pewnej nocy został schwytany podczas burzy meteorytów.

Lusamine wyjawia, że ​​Gladion jest jej synem, a Lillie jest bratem Gladiona. Planuje użyć Cosmoga do otwarcia Ultra Tunelu Czasoprzestrzennego i wypuszczenia Ultra Bestii na świat i siania spustoszenia w Aloli. Planuje pozwolić Cosmogowi umrzeć w tym procesie.

Podczas próby na wyspie Poni postać gracza i Lillie wyruszają na szczyt świątyni, gdzie używają Fletu Słońca i Księżyca, aby przywołać wielkiego legendarnego Pokemona. Cosmog wychodzi z plecaka Lillie i ewoluuje w Solgaleo lub Lunalę.

Nebby, obecnie legendarny Pokemon, zabiera postać gracza i Lillie do Ultra Przestrzeni, aby znaleźć swoją matkę, która ostatecznie teleportowała się do warstwy Ultra Bestii podczas otwierania tunelu czasoprzestrzennego.

W końcu znajdują Lusamine, która łączy się z Nihilego, by zostać szefem o ultramackach, ale na szczęście nie próbuje zgwałcić swojej córki.

Po pokonaniu ostatecznej formy Lusamine opuszczają Ultra Przestrzeń i zamykają Ultra Tunele Czasoprzestrzenne, ratując Alolę przed całkowitym zniszczeniem. Postać gracza ma okazję stoczyć bitwę z Nebbym i zostać jego alfonsem. Po rozprawieniu się z Ultra Bestiami, schwytaniu Nebby'ego i pokonaniu Lusamine, podróż do zostania Wielkim Mistrzem trwa.

Ostatnie wyzwanie w Pokemon Sun i Księżyc rozgrywa się na górze Lanakila, gdzie koronacja Wielkiego Mistrza następuje po pokonaniu Elitarnej Czwórki, składającej się z poprzednich uczestników prób, takich jak Olivia, Aceroyal, Kahilia i Hula. Ostateczna bitwa ukoronuje pierwszego w historii Aloli Wielkiego Mistrza Ligi Pokemon i będzie próbą uznania regionu, aby w końcu mogli zostać Mistrzem Świata Pokemom. W tej ostatniej walce gracze walczą z profesorem Kukui w totalnej bójce, aby zostać pierwszym w historii Wielkim Mistrzem Aloli.

Następnie organizują wielkie uroczystości festiwalowe, ale Lillie i postać gracza wymykają się do świątyni, do której pierwotnie zmierzała na początku gry z Nebbym. Udają się do świątyni, aby odkryć Tapu Koko, tocząc ostatnią bitwę z wielkim strażnikiem wysp Alola. Gracze mają możliwość pomyślnego złapania Pokemona.

Lillie w końcu decyduje się wyjechać, aby zaopiekować się swoją przykutą do łóżka matką, Lusamine. Hau obiecuje, że do niej napisze, a postać gracza wraca do domu, do swojej matki, gdy pojawiają się napisy końcowe.