En un futuro cercano, las altas tensiones de energía comienzan a tener consecuencias devastadoras alrededor de la Tierra. El astronauta Roy McBride (Brad Pitt) es informado de que su padre, el famoso astronauta H. Clifford McBride (Tommy Lee Jones), aún puede estar vivo después de haber salido al espacio en el Proyecto Lima, que estaba destinado a detectar vida inteligente. Roy tiene la tarea de encontrar a Clifford después de que se detectó la base de Lima en Neptuno.

Roy se une a una tripulación en una base de Marte para poder enviar mensajes a Neptuno en un intento de comunicarse con Clifford. La directora de la base, Helen Lantos, le muestra a Roy un video que revela que Clifford se volvió loco en la base y mató a su tripulación después de que se amotinaran e intentaran regresar a la Tierra. Roy se sube a la nave en dirección a Neptuno, y la tripulación muere mientras intentan detenerlo.

Roy llega a Neptuno y encuentra la base de Lima, que planea destruir con una carga nuclear. Encuentra a Clifford, que todavía no ha perdido la esperanza de que el proyecto pueda ser un éxito. Mientras intentan regresar, Clifford elige la muerte al alejarse de Roy hacia el espacio. Roy continúa y destruye la base de Lima, lo que lo ayuda a regresar a casa.

Roy concluye que los humanos son la única vida inteligente, y esto lo inspira a mantenerse conectado con las personas más cercanas a él, incluida su esposa Eve (Liv Tyler).