Después de tener una alucinación de una joven mujer fuera de su ventana, Sam Bell (Sam Rockwell) choca accidentalmente su vehículo contra una de las máquinas recolectoras de hidrógeno. Es rescatado por un hombre que parece una versión más joven de Sam. El joven Sam es muy consciente de que es un clon, pero el viejo Sam afirma que es el Sam Bell original.

Mientras tanto, la empresa que dirige las operaciones mineras en la Luna le dice a Sam (a través de un mensaje grabado, ya que la estación no puede recibir una transmisión en vivo) que van a enviar un equipo para reparar las máquinas y devolver a Sam a la Tierra.

Sin embargo, el ordenador de la estación GERTY (pronunciada por Kevin Spacey) finalmente admite al viejo Sam que él también es un clon. GERTY curó al viejo Sam y está ocultando su presencia a la compañía porque, aunque viola su programación corporativa, su objetivo principal es proteger y ayudar a Sam.

Los dos Sam pronto se dan cuenta de que el equipo de rescate/reparación los matará a ambos si descubren que saben que son clones. Después de explorar la estación y el área que la rodea, encuentran tanto la habitación con todos los clones de Sam como las tres torres de interferencia de señales que impiden que las transmisiones en vivo lleguen a la estación. Después de viajar fuera de las torres, el viejo Sam llama a su casa. Descubre que su esposa Tess (Dominique McElligott) ha fallecido, su hija Eve es ahora una adolescente (Kaya Scodelario), y el Sam Bell original sigue vivo en la Tierra.

El joven Sam llega con un plan: el Sam mayor será devuelto a la Tierra en un cohete de retorno de hidrógeno, mientras que GERTY despertará un nuevo clon de Sam y el joven Sam tomará el lugar del cuerpo en el choque (encubriendo cualquier signo de que los Sams se conocían entre sí).

El joven Sam cree que el Sam mayor debería volver a la Tierra ya que en realidad cumplió todo su mandato en la estación. Sin embargo, el mayor Sam se da cuenta de que se está muriendo (los clones sólo tienen una vida útil de tres años, por lo que el contrato era de tres años) y en su lugar ofrece cambiar de lugar con el joven Sam.

Justo antes de que llegue el equipo de rescate y reparación, el joven Sam altera el curso de los tres colectores de hidrógeno en funcionamiento, reinicia la memoria de GERTY para que no haya rastros de que los dos Sam estén allí, y despega hacia la Tierra.

En el último momento, justo antes de salir disparado en la cápsula de Helio 3, Sam decide destrozar las antenas que bloqueaban la comunicación entre la luna y la Tierra, dándole así al clon recién despertado la oportunidad de saber la verdad.