When I Meet the Moon mengisahkan Yun Li (Lu Yu Xiao), gadis pemalu yang memiliki kecemasan sosial. Demi membuktikan kemandiriannya pada sang ayah, ia melanjutkan pendidikan S2 di Nanwu. Menjelang semester baru, Yun Li bertemu kembali dengan Fu Shi Ze (Lin Yi), mantan pujaan hatinya semasa SMA sekaligus jenius teknologi di pusat Virtual Reality (VR).
Didukung oleh teman-teman barunya, Yun Li mulai memberanikan diri untuk mendekati Fu Shi Ze. Perjuangannya pun membuahkan hasil. Sayangnya, perbedaan sudut pandang dan trauma masa lalu Fu Shi Ze membuat hubungan keduanya berakhir dengan perpisahan pahit.
Yun Li kemudian memutuskan meninggalkan China untuk melanjutkan studinya ke luar negeri. Kepergian Yun Li membuat Fu Shi Ze harus menghadapi trauma yang selama ini ia pendam. Sembari memulihkan diri, ia kembali bangkit dan membawa tim risetnya meraih berbagai pencapaian baru.
Bertahun-tahun kemudian, Yun Li akhirnya pulang ke kampung halaman. Fu Shi Ze pun berusaha mengejar kembali cinta lamanya secara terang-terangan.