故事设定在28世纪，人类发现了如何进行时空旅行。韦勒瑞恩和洛瑞琳是“时空服务”的特工，负责保护地球帝国的行星。他们像往常一样执行着星际任务，但在执行一次任务时，他们偶然发现了一个秘密，而他们也被卷入其中，越陷越深……

故事发生在一艘名为“契约”的殖民太空船之上，飞船上搭载了两千名进入沉睡的殖民者，他们的目的地是遥远的欧米伽六号行星，希望能够在那里建立新的家园。一场意外的发生令契约号的能量收集帆遭到了破坏，船长布兰森（詹姆斯·弗兰科 James Franco 饰）亦不幸身亡。作为代理船长的欧朗（比利·克鲁德普 Billy Crudup 饰）带领着惊恐而又悲伤的船员们降落到了一颗未知的神秘星球上。
在这里，他们遇见了仿生人大卫（迈克尔·法斯宾德 Michael Fassbender 饰），大卫热情的接纳了人类的到来，并讲述了他和已故的肖博士（劳米·拉佩斯 Noomi Rapace 饰）在这里生活的经历。就在大卫渐渐赢得了船员们的信任的同时，大家已经一步一步的走入了前者为他们精心打造的地狱之中。

吉姆（克里斯·普拉特 Chris Pratt 饰）是阿瓦隆号飞船上的一位工薪阶层旅客，在飞船前往太空殖民地家园2号的120年旅途中，因一次意外，他从冷冻睡眠中醒来。发现自己有可能要在这艘巨船上独自度过89年，吉姆试着重新入睡，但最终只能在安置了5000个同行人员的睡眠舱中孤独生活，处于自杀边缘的吉姆绝望中孤注一掷，于是，他唤醒了一名女乘客奥罗拉（詹妮弗·劳伦斯 Jennifer Lawrence 饰），两人在相处的期间产生了爱情的火花。而当飞船的操作系统瘫痪，这对情侣面临着更大的问题，生命受到威胁的不仅仅是他们自己，也包括同行的旅伴，和航行本身。

深邃浩瀚的外层空间，蔚蓝的地球与深不见底、漆黑一片的宇宙形成鲜明对比。一台隶属美国的空间站，数名宇航人员正进行太空漫步，对所属卫星做着例行检查。初上太空的瑞安·斯通博士（桑德拉·布洛克 Sandra Bullock 饰）在经验丰富的宇航员麦特·科沃斯基（乔治·克鲁尼 George Clooney 饰）的协助下，有条不紊地检查每一个部件。此次是科沃斯基退休前的最后一次飞行，他幽默风趣地活跃着团队的氛围。就在此时，休士顿总部传来骇人消息，不久前行将废弃俄罗斯卫星被导弹击毁，碎片以超过子弹的速度在地球轨道上散开，并意外击中其他卫星，引起连锁反应制造了新的碎片。
瑞安一行遭到碎片重创，有的同伴不幸身亡，而她和科沃斯基失去控制坠入宇宙深处。幸存的二人不得不彼此信赖，拼尽全力朝向故土前进……