Garota da Lua e o Dinossauro Demônio acompanha Lunella Lafayette, uma garota de 13 anos que mora com seus pais e avós na cidade de Nova Iorque. Sempre muito empenhada em seus estudos nas áreas da ciência e tecnologia, Lunella ama resolver seus problemas com suas próprias mãos, nunca temendo desafios. Ao criar, por acidente, um gerador de portais interdimensionais, um tiranossauro vermelho com chifres e mais de 10 toneladas aparece, e agora ela precisa lutar contra o crime e o perigo na cidade para evitar que sua família se mude. Para isso, a garota se tornará a super-heroína Garota da Lua, e contará com a ajuda do seu novo parceiro, Dinossauro Demônio.