2048 - Tras una devastadora guerra nuclear, la humanidad se enfrenta a la extinción por la superpoblación, el agotamiento de los recursos y el deterioro del medio ambiente. Incapaces de terraformar la luna de Saturno, Titán, para su colonización, los científicos militares desarrollan un programa experimental para alterar genéticamente la fisiología humana, de modo que la humanidad pueda sobrevivir en la dura atmósfera de Titán.

Como uno de los sujetos de prueba del programa Titán, el teniente Rick Janssen se traslada con su esposa, la Dra. Abigail Janssen, y su joven hijo Lucas a una comunidad segura en una base de operaciones de la OTAN cerca del Océano Atlántico, donde viven junto a otras familias de militares participantes. El profesor Martin Collingwood, la doctora Freya Upton y el coronel Jim Petersen supervisan el desarrollo de los voluntarios del programa Titán, entre los que se encuentran el capitán Vita Ramos, el mayor Timothy Pike, el cabo Zane Gorski, el doctor Iker Hernández, el suboficial Tally Rutherford y el sargento Anton Werner.

Durante el curso de su tratamiento médico y entrenamiento, Rick desarrolla increíbles habilidades anfibias. Rick regularmente se vincula con Abi y Lucas mientras que los sujetos de prueba y sus familias también se vinculan entre sí.

Vita muere repentinamente después de sangrar y convulsionar en el piso de la ducha. Los otros siguen cuestionando los riesgos del programa cuando Zane arremete violentamente contra una barbacoa del patio.

Abi observa las venas pulsando brevemente dentro de la piel de varios voluntarios de Titán. Las sospechas de Abi sobre el proyecto Titán crecen cuando Freya prescribe curiosos tratamientos para Rick y Abi encuentra cámaras de vigilancia escondidas en su casa. Abi realiza sus propias pruebas con una muestra de sangre de su marido mientras la metamorfosis de Rick continúa.

Poco después de un procedimiento para hacer sus ojos más felinos para que pueda ver en la oscuridad, Abi lleva rápidamente a Rick al laboratorio cuando se queda ciego y sangra por los ojos. Abi aprovecha la oportunidad para confrontar a Collingwood sobre las cámaras y la verdad de la transformación de Rick, pero Collingwood rechaza sus preocupaciones.

Abi regresa a casa a tiempo para presenciar el asesinato de Zane a su familia de al lado. Soldados patrullando la base de la pistola de Zane.

El Coronel Solano y el doctor de la NASA Elliot Blake intentan sin éxito cerrar el programa Titan de Collingwood por razones éticas. Mientras Collingwood está preocupado en una conferencia con Solano y Blake, Abi se cuela en la oficina de Collingwood. Abi encuentra archivos que revelan que Collingwood ha estado evolucionando a la fuerza a los humanos en una nueva especie, Hom0 Titanes, usando ADN animal.

Basándose en las preocupaciones de Solano y Blake, Freya comienza a tener dudas sobre el programa. Freya intenta hablar con Collingwood, pero él rápidamente la rechaza.

Abi se enfrenta a Collingwood frente a Rick. Collingwood admite que no sabe en qué se está convirtiendo Rick, pero insiste en que Rick necesita una operación cerebral para evitar la sobrecarga que volvió hostil a Zane. Abi se opone a la idea de que Rick se someta a más tratamientos con Collingwood. Sin embargo, Rick opta por llevar el programa hasta el final.

Rick y Tally son los únicos dos participantes del proyecto que sobrevivieron a la cirugía final. Abi, Lucas y Lawrence, el esposo de Tally, están sorprendidos de ver a Rick y Tally en sus cuerpos completamente mutados. Collingwood explica que Rick y Tally ya no son capaces de comunicarse a través del habla, pero se les permite ir a casa hasta el lanzamiento previsto de Titán en dos días.

Abi le teme a Rick a la luz de su transformación. Después de matar a su marido en la casa de al lado, Tally llega a la casa de los Janssen. Los soldados rodean a los dos Titanes y matan a Tally. Rick responde matando por reflejo a todos los soldados. Rick huye de la escena.

A pesar de las objeciones de Collingwood y Petersen, el Coronel Solano moviliza las tropas para localizar a Rick. Abi encuentra a su marido primero. Aunque no pueden hablar entre ellos, Abi y Rick comparten un momento íntimo durante el cual se besan. Los militares llegan para llevarse a Rick, Abi y Lucas en custodia.

Debido a que ella es la única persona a la que Rick le permitirá acercarse, Collingwood le dice a Abi que la necesita para convencer a Rick de ir a Titán como estaba previsto para que pueda vivir. Collingwood le pide a Abi que le administre una inyección que hará que Rick pierda todos sus recuerdos, dejándolo así sin conexión con la Tierra. Abi secretamente intercambia el químico con solución salina antes de inyectar a Rick.

Abi agarra a Freya antes de huir de la escena. Rick mata a Petersen y escapa de la custodia con los soldados que lo persiguen. Abi y Freya rescatan a Lucas y se reúnen con Rick mientras los soldados los rodean.

Collingwood ordena a los soldados que disparen a todos menos a Rick. Solano se niega. En su lugar, los soldados giran sus armas contra Collingwood. Abi, Lucas y Freya se llevan a Rick en un avión con la Dra. Blake.

Algún tiempo después, Abi es vista trabajando como doctora en el programa Titán II de la NASA. Se muestra a Rick viviendo exitosamente en Titán.