为了解开神秘的石柱突然屹立于地面并攻击人的秘密，原子动力太空般帝斯卡巴里号出发飞往距离八亿公里远的木星。此宇宙飞船的成员包括波曼船长、布鲁飞行员及三个在圆筒内冬眠的队员等五人。途中电脑HAL发生错乱，破坏了冬眠装置，布鲁被诱出船外，于黑暗的太空中被杀，波曼船长则被困在母船中，与之展开生死格斗，结果人类终于获胜。不久宇宙飞船在进入木星的轨道后，因船长发现某地有与月球上的石柱一模一样的东西，就驶向它，却发生意外。当他醒来时，看见自已正和宇宙飞船在路易十六的寝室中。超越时间与空间，所有的一切东西都消失于白光之中后，飘浮在太空上的绿色地球，由一胎儿看守着，此胎儿正是波曼转世而成的，正继续等待着自己出生的日子。这部内容以不远的未来为背景，在广阔的宇宙空间中，人类将面对不可思议之事。

太空舱成为繁殖人类的星际实验场，地球上的死囚成为孕育新生命的实验体，但在浩瀚寂静的失序太空里，却也让人性彻底沉沦。

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……

一名轻度自闭的航天工程师罗伊，他的父亲在20年前离开地球前往海王星，寻找外星智慧生物。不料任务失败，有去无回。而罗伊此次也要飞越太阳系，找到父亲，并查清当年失败的原因。