Sau khi rời bỏ hoàng cung trong tập 19, nữ chính Hae Soo (IU) trở thành đối tượng bị ghét trong mắt nhiều khán giả. Tuy nhiên, lý do Hae Soo rời khỏi cung điện đã được tiết lộ trong tập 20. Hae Soo bỏ đi, không phải bởi vì nàng ghê sợ sự bạo tàn của Wang So (Lee Jun Ki) mà bởi nàng đã mang trong mình giọt máu của hoàng đế. Không muốn con mình sinh ra, lớn lên giữa chốn hoàng cung đầy những âm mưu, toan tính, Hae Soo đã quyết định rời đi.

Nàng ở bên Thập tứ hoàng tử Wang Jung, nhưng chỉ sống cuộc đời như những người bạn tốt nương tựa vào nhau. Khi Hae Soo ở cạnh Wang Jung, Wang So cũng phái người tới thăm dò, điều tra cuộc sống của họ nhưng Wang Jung đã tinh ý nhận ra và trước mặt gián điệp của Wang So, Hae Soo và Jung vẫn đóng giả một cặp vợ chồng hạnh phúc.

Bản thân Wang So cũng từng đích thân tìm đến, âm thầm dõi theo cuộc sống của Hae Soo, nhưng chàng lại hiểu lầm rằng Hae Soo đang hạnh phúc làm vợ Thập tứ hoàng tử. Chàng trở về cung điện và quyết tâm từ giờ sẽ rút khỏi cuộc đời nàng.

Wang So không cử người theo dõi nữa, nên chàng không biết rằng Hae Soo mang trong mình giọt máu của quân vương. Nàng hạ sinh một bé gái kháu khỉnh, nhưng sức khỏe lại ngày một đi xuống. Tâm nguyện cuối cùng của Hae Soo là được gặp lại Wang So một lần. Nàng viết thư gửi cho nhà vua và nhờ Wang Jung chuyển giúp. Thế nhưng Wang So lại làm lơ mọi lá thư vì tưởng rằng Jung là người viết chúng.

Tới khi Wang So đọc được thư, thì cũng là lúc Hae Soo đã qua đời. Hae Soo viết rằng cuộc đời sau cùng chỉ như một giấc mơ, tại sao chàng lại cứ hận thù hay đổ lỗi cho người khác? Nàng đã rất lo lắng khi ra đi và để lại chàng trong nỗi hận thù như vậy. Nàng đã luôn yêu Wang So, luôn nhớ đến chàng và mong được gặp chàng. 

Thế nhưng khi Wang So hiểu được tâm tình của người yêu thì tất cả đã quá muộn. Hae Soo qua đời trong vòng tay của Thập tứ hoàng tử, chết khi chưa kịp gặp lại người nàng yêu sâu đậm suốt cả cuộc đời. Wang So tới tìm Hae Soo nhưng tất cả những gì mà giờ đây chàng có chỉ còn là tro cốt của người yêu. 

Wang So trở về cung điện và tiếp tục sống trong nỗi dày vò mất mát. Cuộc sống vốn đã cô đơn của chàng nay càng trở nên u uất. Chàng có con với Hoàng hậu Yeon Hwa nhưng lại chẳng mảy may có tình cảm với vợ con. Bởi chàng biết rằng khi lớn lên, đứa trẻ ấy cuối cùng cũng hợp sức với mẫu hậu của nó và chống lại chàng.

Wang So cũng có duyên gặp được con gái của mình với Hae Soo. Ban đầu, Wang Jung nhận rằng đứa trẻ là của mình, thế nhưng đứa trẻ lại quá lớn so với thời điểm Wang Jung thành thân, thế nên Wang So nhanh chóng nhận ra đứa bé chính là cốt nhục của mình với Hae Soo. Tuy vậy, chàng vẫn để công chúa nhỏ lại bên cạnh Thập tứ hoàng tử, thể theo nguyện vọng của Hae Soo là hãy để con gái nàng rời xa cung cấm.

Về phía Hae Soo, sau khi qua đời ở thời đại Cao Ly, linh hồn nàng lại trở về với thời hiện đại. Trong thời hiện đai, Hae Soo vẫn là Go Ha Jin, cô gái trẻ từng sống sót sau khi suýt chết đuối, vẫn làm nhân viên bán mỹ phẩm và sống cuộc đời bình thường như bao người khác. Go Ha Jin thường xuyên rơi vào giấc mơ trong quá khứ mà không biết rằng, nó thực chất là những câu chuyện có thật mà cô đã từng trải qua.

Ở thời hiện đại, Go Ha Jin hội ngộ với Ji Mong - vị quân sư từ thời Cao Ly giờ đây lại là một giảng viên đại học. Khi Go Ha Jin đi thăm viện bảo tàng và nhìn những bức tranh về hoàng tộc Cao Ly, những ký ức bỗng chợt ùa về. Ha Jin nhận ra rằng những điều bấy lâu cô thấy không phải một giấc mơ, mà là những ký ức vừa ngọt ngào vùa cay đắng mà mình đã thực sự đi qua.  

Người tình ánh trăng chọn cách mang đến một đoạn kết mở, khi Go Ha Jin bật khóc ở thời hiện tại và nói lời xin lỗi Wang So của 1.000 năm về trước "Xin lỗi, vì ta đã không ở bên cạnh chàng". Trong khi đó, ở Cao Ly của 1.000 năm trước, Wang So vẫn nhớ về những ký ức ngọt ngào mình từng có với Hae Soo và tự nhủ "Ta sẽ đi tìm nàng, dù ở bất kỳ nơi đâu".

Tập phim khép lại ở đây khiến cư dân mạng náo loạn. Đa phần khán giả đều bày tỏ sự không hài lòng với một đoạn kết quá đau khổ, thậm chí còn đau đớn hơn bản gốc vì nữ chính vừa không gặp được nam chính trước khi qua đời, lại vừa chẳng có cơ hội hội ngộ người yêu trong thời hiện đại. Nhiều khán giả tức giận cảm thán rằng, tại sao Hae Soo được gặp lại Ji Mong ở thời hiện đại mà biên kịch lại không cho cô, dù chỉ nhìn thấy bóng dáng của Wang So thôi cũng được. Về phía Wang So, chàng thậm chí đã có một số phận bi thảm hơn khi phải sống cả nghìn năm cô độc với nỗi dày vò đánh mất người yêu. Thậm chí biên kịch cũng chẳng để lại một tình tiết cho thấy Wang So chăm sóc con gái mình.

"Ta sẽ đi tìm nàng" - câu thoại của nam chính khép lại tập cuối Người tình ánh trăng khiến nhiều khán giả mong mỏi rằng bộ phim sẽ có thêm một phần 2, là câu chuyện về Hae Soo và Wang So ở thời hiện đại. Tuy nhiên một số khác lại tỏ ra bi quan hơn khi cho rằng với mức rating không được khả quan, khả năng bộ phim có phần 2 là khó xảy ra.