pokemon Sun og Moon starter med en film af en karakter ved navn Lillie og hendes Pokemon, en kosmog med tilnavnet Nebby. Hun forsøger at flygte fra vagter, og Pokémonen bruger et lysende blitz, der skaber en slags eksplosion, mens hun gemmer sig i sin taske. Spillet skifter over til spillerkarakteren, der ankommer til Alola på øen Melemele, hvor de bliver præsenteret for professor Kukui og hans unge kammerat Hau.
Spiller-karakteren ender med at møde Lillie, hvis Cosmog bliver angrebet på en bro. Det lykkes spilleren at redde Cosmogen, men broen knækker, og en legendarisk Pokemon ved navn Tapu Koko kommer dem til undsætning. Dette sætter spillerkarakteren på en skæbne, der er brolagt i storhed, og de får en af tre startende Pokemons sammen med opgaven med at gennemføre syv forsøg på tværs af de fire øer Alola, inklusive Melemele, Akala Island, Poni Island og Ula'Ula Island.
Under hele rejsen vil spiller-karakteren interagere med Hau og Lillie, samt kæmpe mod forskellige bøller og tyve undervejs fra Team Skull. Under rejserne begynder spiller-karakteren at forstå Alolas hemmeligheder, og hvordan de i stedet for at have traditionelle gymkampe har de syv prøvelser på tværs af de fire øer. Den, der fuldfører alle forsøgene og besejrer Totem Pokémon efter at have tilkaldt dem, skal derefter møde Elite Four for at prøve sig frem til at blive Alolas Grand Master Pokemon Trainer. Spiller-karakteren vil tjene Z-Power-krystaller fra trænerne for at blive stærk nok til at kæmpe mod Totem Pokemon og muligvis endda møde øens vogter, Tapu Koko.
Undervejs afsløres det, at Lillie bliver hos professor Kukui, indtil hun kan komme på fode igen. Både hende og kosmogen blev fundet på en Alola-strand, bevidstløse, og professoren og hans kone tog imod Lillie og kosmogen for at pleje dem tilbage til sundhed.
Lillie er opsat på at hjælpe Cosmog med at komme tilbage til sit hjem. Dette fører hende, spillerkarakteren og Hau til en hemmelig ø mellem de fire store øer kaldet Aether Paradise, hvor det afsløres, at der er specielle Pokemon kendt som Ultra Beasts fra alternative dimensioner. Forskningsfaciliteten studerer disse dyr og de portaler, der fører til dem, for bedre at forstå Ultra-dyrene.
Da de til sidst ender på Ula'Ula Island, lærer de, at Solgaleo og Lunala på et tidspunkt kæmpede voldsomt over Alola-øerne, efter at Solgaleo terroriserede folket. Lunala kom til undsætning og til sidst fik de en arving i form af Cosmog.
Team Skulls leder Guzma forsøger at undergrave Kukuis søgen efter at bygge en Pokemon League på Alola, men professoren bruger spillerkarakteren til at kæmpe mod Guzma og ydmyge ham foran sine venner. Efter kampen advarer Gladion, et emo-medlem af Team Skull, Hau og spillerkarakteren om, at de er nødt til at beskytte Cosmog mod Team Skull og andre, der prøver at få fingrene i det, fordi det har evnen til at tilkalde legendariske monstre. Dette får spiller-karakteren til at tage kampen til Team Skulls hjemmebase for at ødelægge dem én gang for alle.
Men mens spiller-karakteren kæmper mod Team Skull på deres hjemmebase, fanger et andet medlem ved navn Plumeria Lillie og Cosmog. Gladion fører gruppen til Aether Paradise for at redde Lillie og Cosmog.
De lærer, at Cosmog angiveligt er et Ultra Beast fra en anden dimension kaldet Ultra Space, og at Cosmog under tvang kan åbne Ultra Wormholes til nye dimensioner. Aether Paradise forsøger at rive og rive i stykker Cosmog for at bruge det til at åbne dimensioner til deres egen fordel.
Spiller-karakteren og Hau kommer endelig til hovedkontoret, hvor de opdager, at Lillie er datter af Lusamine, lederen af Aether Paradise. Lillie forsøgte at redde Cosmog fra centrum, efter at den blev fanget under en meteorstorm en nat.
Lusamine afslører, at Gladion er hendes søn, og at Lillie er Gladions bror. Hun planlægger at bruge Cosmog til at åbne Ultra Wormhole og lade Ultra Beastet komme ind i verden og ødelægge Alola. Hun planlægger at lade Cosmog dø i processen.
Under Poni Island-prøven ender spillerkarakteren og Lillie med at vove sig til toppen af helligdommen, hvor de bruger Sol- og Månefløjten til at tilkalde den store legendariske Pokemon. Cosmog kommer ud af Lillies rygsæk og udvikler sig til enten Solgaleo eller Lunala.
Nebby, nu en legendarisk Pokemon, tager spillerkarakteren og Lillie til Ultra Space for at finde sin mor, som endte med at teleportere til Ultra Beasts-laget under ormehullets åbning.
De finder til sidst Lusamine, der smelter sig sammen med Nihilego for at blive en ultra-tentakel-boss, men heldigvis forsøger hun ikke at voldtage sin datter.
Efter at have besejret Lusamines endelige form forlader de Ultra Space og forsegler Ultra Wormholes, hvilket redder Alola fra fuldstændig ødelæggelse. Spiller-karakteren har mulighed for at kæmpe mod Nebby og blive dens alfons. Efter at have beskæftiget sig med Ultra Beasts, fanget Nebby og underkuet Lusamine, fortsætter rejsen til at blive en stormester.
Den sidste udfordring i pokemon Sun og Moon foregår på Mount Lanakila, hvor stormesteren bliver kronet efter at have besejret Elite Four, som består af tidligere prøvegivere som Olivia, Aceroyal, Kahilia og Hula. Den sidste kamp vil krone Alolas første Pokémon League-stormester nogensinde og forsøge at få regionen anerkendt, så de til sidst kan fortsætte med at blive en Pokemom-verdensmester. I denne sidste kamp kæmper spillere mod professor Kukui i et kæmpe slagsmål om at blive den første Alola-stormester nogensinde.
Bagefter holder de en stor festivalfejring, men Lillie og spillerkarakteren sniger sig til helligdommen, hvor hun oprindeligt var på vej i starten af spillet med Nebby. De går til helligdommen for at opdage Tapu Koko og engagerer sig i en sidste kamp med Alola-øernes store vogter. Spillere har mulighed for succesfuldt at fange Pokémon.
Lillie beslutter sig til sidst for at tage afsted for at tage sig af sin sengeliggende mor, Lusamine. Hau lover at skrive til hende, og spiller-karakteren vender hjem til deres mor, mens kreditterne ruller.
