En 2020, la misión Mars I parte hacia el planeta Marte, comandada por Luke Graham. A su llegada, el equipo descubre una formación blanca y brillante en la región de Cydonia, que sospechan que es una extrusión de una columna geotérmica subsuperficial de agua, útil para la futura colonización humana. Tras informar de ello a la Estación Espacial Mundial en órbita terrestre, se dirigen a investigar la formación y comienzan a oír un sonido grave en su sistema de comunicaciones. El radar informa inicialmente de que la formación es metálica, pero cuando aumentan la potencia del radar, aparece un gran vórtice que mata a todos excepto a Luke. Después de que el vórtice se desploma, la formación se revela como parte de un gran rostro humanoide.

El suceso crea un pulso electromagnético que la estación espacial observa, tras lo cual recibe un mensaje de socorro de Luke. Al darse cuenta de que Luke no podía haber partido porque el pulso habría dañado el sistema informático del ERV ("Vehículo de Retorno a la Tierra"), reconvierten la misión Marte II en un rescate.

Meses después, cuando Mars Rescue, formada por el comandante Woody Blake, su esposa Terri Fisher, el viudo reciente Jim McConnell y el técnico Phil Ohlmyer, se acerca a la órbita de Marte, descubren que todas las imágenes de satélite de la zona de formación están cubiertas de estática. Los micrometeoritos irrumpen en la nave, causando daños en los conductos externos de combustible y provocando la explosión de los motores. Con la Mars II destruida y fuera de control, la tripulación se ve obligada a abandonar la nave y viajar en sus trajes espaciales hasta el REMO ("Resupply Module") en una órbita cercana sobre Marte. Woody se lanza hacia el módulo y consigue atarse a él, pero pierde el control y comienza a descender hacia la atmósfera marciana. Terri intenta rescatar a Woody, pero sabiendo que se quedaría sin combustible antes de alcanzarle, Woody se quita el casco y se suicida para salvarla.

Los supervivientes llegan a la superficie marciana y comienzan a reparar el ERV. Encuentran a Luke viviendo en un invernadero; les muestra fotos de la cara, y les revela que los pulsos en el sonido grave que escucharon representaban un modelo 3D de ADN similar al humano, pero al que le faltaba un par de cromosomas. Jim determina que deben completar la secuencia para pasar una prueba, y envían un rover para transmitir la señal completada por radar. Tras la transmisión, aparece una abertura en el lateral de la estructura. Con una enorme tormenta de polvo acercándose Jim, Terri y Luke se dirigen a la formación, mientras Phil se queda para terminar de reparar el ERV. Phil recibe la orden de despegar, con o sin ellos, antes de que llegue la tormenta.

Los tres astronautas entran en la abertura, que se sella tras ellos. Una proyección tridimensional del sistema solar muestra el planeta Marte, cubierto de agua, golpeado por un gran asteroide y convertido en inhabitable. Una proyección de una forma de vida humanoide marciana revela que los marcianos nativos evacuaron el planeta en naves espaciales, una de las cuales fue enviada a sembrar la Tierra con ADN, con la intención de crear vida que algún día pudiera aterrizar en Marte y ser reconocida como descendiente. Se ofrece una invitación para que uno de su grupo siga a los marcianos a su nuevo hogar. Jim acepta la invitación, despidiéndose de Terri y Luke, y es sellado dentro de una pequeña cápsula. Terri y Luke corren de vuelta al ERV y llegan justo cuando Phil está a punto de despegar. A duras penas escapan de la tormenta de polvo hacia el espacio mientras la cápsula de Jim es lanzada desde la formación en ruinas y pasa junto a ellos hacia el hogar de los marcianos.