Ryland Grace (Ryan Gosling) si risveglia improvvisamente dal coma a bordo di un'astronave, completamente solo e a milioni di chilometri dalla Terra. Non ricorda chi sia né perché si trovi lì. Smarrito in un ambiente sconosciuto, cerca di orientarsi mentre, poco alla volta, frammenti della sua memoria iniziano a riemergere.

Con il passare del tempo scopre una verità sorprendente: non è un astronauta, ma un insegnante di scienze delle scuole medie con un dottorato in biologia molecolare. È stato scelto per partecipare alla missione Hail Mary, un'impresa disperata concepita come ultima possibilità per salvare il sistema solare.

Il Sole, infatti, sta lentamente morendo, consumato da una misteriosa sostanza che ne drena l'energia. Lo stesso fenomeno sta colpendo molte altre stelle vicine, minacciando l'equilibrio dell'intero sistema e la sopravvivenza della vita sulla Terra. Solo una stella, situata a quasi dodici anni luce di distanza, sembra non essere stata intaccata da questo enigmatico processo.

Per capire perché, Ryland dovrà affidarsi a tutto il suo ingegno scientifico e alla sua capacità di improvvisare. Tra esperimenti, intuizioni e momenti di solitudine estrema nello spazio profondo, la missione si trasforma in una corsa contro il tempo per trovare una soluzione prima che sia troppo tardi.

Il viaggio prende però una piega inaspettata quando Ryland entra in contatto con un'entità aliena, che lui stesso soprannomina Rocky (James Ortiz). Da quell'incontro nascerà un'alleanza improbabile ma decisiva: due esseri provenienti da mondi diversi, costretti a collaborare per risolvere lo stesso enigma cosmico e salvare non solo la Terra, ma i destini di entrambi i loro pianeti.