"Moon Cake Story" mengisahkan David (Morgan Oey) seorang pengusaha muda yang sedang berada di puncak keberhasilan bosnis. Namun, berbagai peristiwa tak terduga terjadi. Diawali dengan istrinya yang meninggal, kemudian dokter menyatakan ia terkena penyakit yang disebut Alzheimer. Penyakit yang perlahan melumpuhkan ingatannya dan hanya mengingat dimensi waktu masa lampau sebelum kemudian mengalami kematian.
Suatu ketika ia bertemu dengan seorang wanita berprofesi sebagai joki 3 in 1, Asih (Bunga Citra Lestari). David yang dalam proses kehilangan ingatan justru semakin terbawa memori masa kecilnya, terlebih ia menemukan sosok Asih sebagai figur ibunya sewaktu David kecil. Sosok ibu tunggal yang mampu hidup di tengah kemiskinan dan merawatnya dengan prinsip-prinsip hidup tentang manusia dan kerja.
Hubungan Asih dengan David bertumbuh karena Asih mengetahui penyakit David yang akan kehilangan seluruh ingatan. Asih berusaha memeberi kebahagiaan non material pada David dan menjaga sebisanya. Asih tahu, bahwa untuk memperlambat proses hilangnya ingatan ia harus membawa David dalam kerumunan manusia. Sementara dalam keluarga David, timbul debat yang meminta David memberi keputusan akan nasib bisnisnya sebelum ingatannya hilang.