一個男人在陌生的飛船上醒來，頭腦一片空白，身邊兩具乾枯的屍體。他不記得自己是誰，不知道身處何方，更不知道全人類的命運正繫於他一人之身。
孤獨的甦醒
萊倫·格雷斯（雷恩·葛斯林 飾）從昏迷中醒來，發現自己被綁在一張醫療床上。飛船的人工智慧系統開始對他進行基本認知測試，但他連自己的名字都想不起來。環顧四周，他看到另外兩張床上躺著兩具遺體——艦長姚立傑和工程師奧賽雅·伊路奎娜，他們沒能在長達四年多的昏迷中存活下來。
格雷斯完全失憶了。他像嬰兒一樣重新認識這個環境：摸索飛船的操控系統，翻看電腦裡的數據，試圖拼湊出一切的來龍去脈。隨著他在飛船上的探索，記憶開始以碎片的形式逐漸迴歸——影片在太空中的「現在」和地球上的「過去」之間交替敘述，用不同的畫面比例區分兩條時間線。
地球的危機
記憶碎片將我們帶回地球。格雷斯原本是一名分子生物學博士，但因為發表了一篇關於「生命可以使用非水溶劑」的爭議論文而被學術界邊緣化，最終成了一名中學科學教師。他熱愛教學，在課堂上充滿激情地向孩子們解釋科學原理。
然而，一場滅頂之災正在悄然逼近。科學家們發現太陽正在變暗——一種被命名為「噬星體」的單細胞微生物正在吞噬太陽的能量。這種極端微生物在太陽和金星之間遷移，像寄生蟲一樣吸收並儲存恆星能量。如果放任不管，噬星體將在三十年內使太陽輸出大幅下降，地球將陷入致命的冰河期，人類文明將走向終結。
荷蘭女官員伊娃·史特拉（桑德拉·惠勒 飾）被賦予了史無前例的全球權力來解決這場危機。她鐵腕、高效、不近人情，是那種為了全人類可以犧牲一切的人。史特拉找到了格雷斯——他當年那篇被嘲笑的論文恰好是理解噬星體生物學特性的關鍵。格雷斯被徵召為噬星體首席研究員，他發現了這種微生物驚人的能量儲存密度和自我推進能力。
科學家們調查了周圍的恆星，發現幾乎所有恆星都被噬星體感染——唯獨鯨魚座τ星例外。那裡一定有什麼東西在抑制噬星體。於是，人類用噬星體本身作為燃料，建造了一艘名為「萬福瑪麗號」的飛船，執行一項孤注一擲的任務：飛往十二光年外的鯨魚座τ星，找到解決方案並帶回地球。
這是一趟有去無回的旅程。格雷斯拒絕登船——他害怕死亡，他不想當英雄。但史特拉不會允許地球上最瞭解噬星體的科學家留在地面。她下令給格雷斯注射鎮定劑，強行將他送上了飛船。
宇宙中的邂逅
當格雷斯終於恢復足夠的記憶，意識到自己身處鯨魚座τ星系時，他檢測到了一個不可思議的訊號——附近有一艘外星飛船。
他小心翼翼地發出接觸訊號，遇到了洛基。洛基來自波江座40星系的行星「厄里德」，是一種約大型犬體型、外形類似岩石蜘蛛的外星生物。厄里德人沒有眼睛——他們進化於一個大氣層極為濃密不透光的星球，通過聲波和回聲定位來「看」世界，用不同頻率的音調交流。
洛基的生物基礎與人類截然不同：氨基生命而非水基生命，血液化學完全不同，能在遠高於人類的溫度和壓力下生存。但他和格雷斯面臨著完全相同的困境——洛基的恆星也被噬星體感染了，他也是被派來鯨魚座τ星尋找拯救家園方法的。
兩個來自不同文明的孤獨靈魂，就這樣在宇宙深處相遇了。
音樂搭建的橋梁
語言是他們面臨的第一道障礙。厄里德人通過特定頻率的音調說話，格雷斯通過一套類似木琴的裝置與洛基建立了共享詞彙。從最基本的概念——數字、物理量、情感——開始，兩人逐漸掌握了彼此的語言。
他們將兩艘飛船通過一條隧道連接起來，這樣就能面對面合作。但由於溫度、氣壓和大氣成分的巨大差異，他們無法進入對方的生活空間，只能隔著各自的環境艙交流。
洛基是一位天才工程師，擅長建造和修理各種裝置；格雷斯是科學家，擅長分析和實驗。兩人完美互補，形成了一對跨星際的黃金搭檔。洛基的性格直率、忠誠而幽默。當格雷斯提到地球上的一段不愉快的人際關係時，洛基立刻宣佈「洛基討厭馬克」——這種不假思索的義氣讓格雷斯既驚訝又感動。
尋找答案
兩人合作調查了鯨魚座τ星系，發現了噬星體在這裡被抑制的原因：一種格雷斯命名為「陶變形蟲」的微生物，它是噬星體的天敵，能夠捕食並消滅噬星體。這就是答案——只要將陶變形蟲帶回太陽系和波江座40星系，就能拯救兩顆恆星。
然而事情遠沒有這麼簡單。他們發現陶變形蟲有多個品系，並非所有品系都能在每種恆星環境中發揮作用。他們必須找到或培育出既適用於太陽、也適用於洛基的恆星的品系。這需要大量艱苦細緻的實驗工作——模擬不同的恆星環境，反覆測試和篩選。
更糟糕的是，他們發現陶變形蟲還能侵蝕飛船的燃料——因為燃料本身就是噬星體。這意味著如果不做好隔離，陶變形蟲會吃掉他們回家的燃料。洛基的飛船在任務過程中受損，格雷斯幫助修復，兩人之間的信任和友誼在一次次危機中不斷加深。洛基一度因為環境暴露而病倒，格雷斯不得不臨時學習厄里德人的醫學知識來救治他。
最後的抉擇
經過漫長的實驗，他們終於成功培育出了對兩個星系都有效的陶變形蟲品系。但一個殘酷的現實擺在面前：燃料只夠一艘飛船返航。洛基的飛船受損嚴重，如果沒有額外的燃料和幫助，他可能回不了厄里德，整個厄里德文明將走向滅亡。
格雷斯面臨著整部電影最核心的抉擇：
帶著陶變形蟲返回地球，成為拯救人類的英雄，但洛基和厄里德人將被拋棄；或者把燃料和物資分給洛基，確保兩個文明都能得救，但自己將永遠滯留在鯨魚座τ星，再也回不了家。
回想起自己當初是如何因為恐懼而拒絕這趟任務、最終被強行送上飛船的往事，格雷斯做出了選擇——他選擇留下。他將自己的燃料分給洛基，同時編程發射無人探測器攜帶陶變形蟲飛向地球，確保人類也能獲得拯救。那個曾經怯懦到不敢登船的中學教師，在宇宙的盡頭完成了自我救贖。
友誼的迴響
但洛基拒絕接受格雷斯的犧牲。在影片最激動人心的高潮段落中，格雷斯割斷了自己的安全繩索準備赴死，洛基卻打破了自己的防護艙來營救他。這個場景讓影院裡的觀眾屏住了呼吸——兩個截然不同的生命，在宇宙最深處用行動詮釋了什麼是真正的友誼。
影片的結尾，格雷斯來到了厄里德星球。他無法在厄里德的環境中自然生存，但厄里德人為他建造了一個適合人類居住的密封棲息地。在這個外星世界的穹頂之下，格雷斯重新成為了一名教師——他教厄里德的孩子們科學。洛基還告訴他，厄里德人已經重建了一艘萬福瑪麗號，如果他願意，可以嘗試返回地球，但旅途需要十六年。格雷斯似乎並不急於離開——在地球上他沒有什麼牽掛，而在這裡，他有洛基的友誼，有一群求知若渴的外星學生，有作為教師的使命。
地球那邊，無人探測器成功抵達，陶變形蟲開始發揮作用，人類得以倖免於難。
片尾字幕滾動時，一段洛基標誌性的歌唱般的交流聲在黑暗中響起——那是來自宇宙深處的問候，是兩個文明之間永不消逝的紐帶。