Moonlight cuenta la difícil infancia, adolescencia y madurez de un chico afroamericano que crece en una zona conflictiva de Miami. Se divide en tres partes:
I. Little (pequeño)
Chiron (Alex Hibbert), es un niño tímido y retraído apodado "Little" por su personalidad y tamaño. Se encuentra perseguido y maltratado por los demás niños del barrio pero Juan (Mahershala Ali), jefe de distribuidor de drogas, lleva a Chiron a su casa, donde vive con Teresa (Janelle Monáe), su novia. Después de la cena, Chiron decide pasar la noche con la pareja y, a la mañana siguiente, Juan ofrece llevar a Chiron con su madre, Paula (Naomie Harris), una mujer abusiva y drogadicta.
La única persona que mantiene una buena relación con Chiron es Kevin (Jaden Piner), quien comienza a crecer unido a él. Chiron y Juan siguen pasando más tiempo juntos. Además, Juan le enseña a nadar mientras le aconseja que debe escoger su propio camino por la vida. Una noche, Juan se da cuenta de que uno de sus clientes fumadores estaba con Paula en un coche. Juan le reclama a Paula que vaya a ver a su hijo y ella reacciona violentamente. A la mañana siguiente, Chiron admite el odio hacia su madre a Teresa y Juan. Más tarde, Chiron se enfrenta a Juan al enterarse de que vende drogas y su madre es su clienta.
II. Chiron
Chiron, ahora adolescente (Ashton Sanders) es acosado frecuentemente por uno de sus compañeros, Terrel (Patrick Decile), aunque sigue siendo amigo cercano de Kevin (Jharrel Jerome). Paula, la madre de Chiron, ya se ha convertido en adicta al crack y tiene comportamientos extraños obligando a Chiron a que le dé dinero. Teresa y Chiron siguen siendo amigos, además, Chiron pasa la noche en su casa porque su madre estaba con un hombre. Juan ya ha fallecido.
Un día, Chiron visita a Kevin en la playa cerca de su casa. Mientras fuma, ambos discuten sus ambiciones en la vida y Kevin le da a Chiron un nuevo apodo, "Black". Después, los dos chicos se besan y luego se masturban.
A la mañana siguiente, Terrel presiona a Kevin para que golpee a Chiron a la salida de la escuela. Chiron se niega a quedarse en el suelo, obligando a Kevin a golpearlo varias veces. Cuando Chiron es incapaz de levantarse, Terrel y otros amigos comienzan a patearlo hasta que llega un guardia de seguridad. Al día siguiente, Chiron entra en clase y rompe una silla en la espalda de Terrel. Chiron es detenido posteriormente y llevado por un coche de patrulla.
III. Black
Ahora, un adulto endurecido, Chiron (Trevante Rhodes) es jefe traficante de drogas en las afueras de Atlanta, y es conocido por el sobrenombre de "Black". Ahora, lleva una vida similar a la que llevó Juan. Chiron recibe llamadas frecuentes de Paula, para pedirle que la visite. Una noche, recibe una llamada de Kevin (André Holland), que le dice que le gustaría volver a verlo y hacer las paces.
