Pokemon Sun e Moon começa com uma cinemática de uma personagem chamada Lillie e seu Pokémon, um Cosmog apelidado de Nebby. Ela está tentando fugir dos guardas e o Pokémon usa um flash brilhante, criando uma espécie de explosão enquanto se esconde em sua bolsa. O jogo muda para o personagem do jogador chegando a Alola, na ilha de Melemele, onde é apresentado ao Professor Kukui e seu jovem amigo Hau.
O personagem do jogador acaba se encontrando com Lillie cujo Cosmog está sendo atacado em uma ponte. O jogador consegue salvar o Cosmog, mas a ponte quebra e um Pokémon lendário chamado Tapu Koko vem em seu socorro. Isso coloca o personagem do jogador em um destino pavimentado de grandeza, e eles recebem um dos três Pokémon iniciais junto com a tarefa de completar sete testes nas quatro ilhas de Alola, incluindo Melemele, Ilha Akala, Ilha Poni e Ilha Ula'Ula. .
Ao longo da jornada, o personagem do jogador irá interagir com Hau e Lillie, bem como lutar contra vários bandidos e ladrões ao longo do caminho da Equipe Skull. Durante as jornadas, o personagem do jogador começa a entender os segredos de Alola e como, em vez das tradicionais batalhas de ginásio, eles têm as sete provas nas quatro ilhas. Quem completar todos os testes, derrotando o Pokémon Totem após invocá-los, precisará enfrentar a Elite Four para tentar se tornar o Grande Mestre Treinador Pokémon de Alola. O personagem do jogador ganhará cristais Z-Power dos treinadores para ficar forte o suficiente para lutar contra o Pokémon Totem e, possivelmente, até mesmo enfrentar o guardião da ilha, Tapu Koko.
Ao longo do caminho, é revelado que Lillie ficará com o Professor Kukui até que ela possa se recuperar. Tanto ela quanto o Cosmog foram encontrados em uma praia de Alola, inconscientes e o Professor e sua esposa acolheram Lillie e o Cosmog para cuidar deles até recuperá-los.
Lillie pretende ajudar o Cosmog a voltar para casa. Isso leva ela, o personagem do jogador e Hau a uma ilha secreta entre as quatro ilhas principais chamada Aether Paradise, onde é revelado que existem Pokémon especiais conhecidos como Ultra Beasts de dimensões alternativas. O centro de pesquisa estuda essas feras e os portais que levam a elas para entender melhor as Ultra Bestas.
Quando eles finalmente acabam na Ilha Ula'Ula, eles descobrem que Solgaleo e Lunala lutaram ferozmente em um ponto nas ilhas Alola depois que Solgaleo aterrorizou o povo. Lunala veio em socorro e eventualmente eles tiveram um herdeiro na forma de Cosmog.
O líder da Equipe Skull, Guzma, tenta subverter a missão de Kukui de construir uma Liga Pokémon em Alola, mas o Professor usa o personagem do jogador para lutar contra Guzma e humilhá-lo na frente de seus amigos. Após a luta, Gladion, um membro emo do Team Skull, avisa Hau e o personagem do jogador que eles precisam proteger Cosmog do Team Skull e de outros que tentam colocar as mãos nele porque ele tem a capacidade de invocar monstros lendários. Isso leva o personagem do jogador a lutar até a base do Team Skull para destruí-los de uma vez por todas.
No entanto, enquanto o personagem do jogador luta contra o Team Skull em sua base, outro membro chamado Plumeria captura Lillie e Cosmog. Gladion lidera o grupo até Aether Paradise para resgatar Lillie e Cosmog.
Eles aprendem que Cosmog é supostamente uma Ultra Besta de outra dimensão chamada Ultra Space e que sob coação o Cosmog pode abrir Ultra Wormholes para novas dimensões. O Aether Paradise tenta destruir Cosmog para usá-lo para abrir dimensões em seu próprio benefício.
O personagem do jogador e Hau finalmente chegam ao escritório principal, onde descobrem que Lillie é filha de Lusamine, a chefe do Aether Paradise. Lillie tentou resgatar Cosmog do centro depois que ele foi capturado durante uma tempestade de meteoros uma noite.
Lusamine revela que Gladion é seu filho e que Lillie é irmão de Gladion. Ela planeja usar o Cosmog para abrir o Ultra Wormhole e deixar a Ultra Beast entrar no mundo e causar estragos em Alola. Ela planeja permitir que Cosmog morra no processo.
Durante o teste da Ilha Poni, o personagem do jogador e Lillie acabam se aventurando no topo do santuário, onde usam a Flauta do Sol e da Lua para invocar o grande Pokémon lendário. Cosmog sai da mochila de Lillie e evolui para Solgaleo ou Lunala.
Nebby, agora um Pokémon lendário, leva o personagem do jogador e Lillie ao Ultra Space para encontrar sua mãe, que acabou se teletransportando para a camada Ultra Beasts durante a abertura do buraco de minhoca.
Eles finalmente encontram Lusamine, que se funde com Nihilego para se tornar uma chefe ultra-tentáculo, mas felizmente ela não tenta estuprar sua filha.
Depois de derrotar a forma final de Lusamine, eles saem do Ultra Space e selam os Ultra Wormholes, salvando Alola da destruição completa. O personagem do jogador tem a oportunidade de lutar contra Nebby e se tornar seu cafetão. Depois de lidar com as Ultra Beasts, capturar Nebby e subjugar Lusamine, a jornada para se tornar um Grande Campeão continua.
O último desafio em Pokemon Sun e Moon acontece no Monte Lanakila, onde o Grande Campeão é coroado após derrotar a Elite Four, que consiste em experimentadores anteriores como Olivia, Aceroyal, Kahilia e Hula. A batalha final coroará o primeiro Grande Campeão da Liga Pokémon de Alola e tentará fazer com que a região seja reconhecida para que eles possam eventualmente se tornar um Campeão Mundial Pokemom. Esta última luta mostra os jogadores lutando contra o Professor Kukui em uma briga acirrada para se tornarem o primeiro Grande Campeão de Alola.
Depois, eles realizam um grande festival de celebração, mas Lillie e o personagem do jogador fogem para o santuário para onde ela estava originalmente indo no início do jogo com Nebby. Eles vão ao santuário para descobrir Tapu Koko, travando uma última batalha com o grande guardião das ilhas Alola. Os jogadores têm a opção de capturar o Pokémon com sucesso.
Lillie finalmente decide partir para cuidar de sua mãe acamada, Lusamine. Hau promete escrever para ela e o personagem do jogador volta para casa, para sua mãe, enquanto os créditos rolam.
