Dos estadounidenses, Ben y Sean (Max Minghella y Emile Hirsch), viajan a Moscú para vender su software de localización de fiestas y redes sociales. Cuando se acercan al aeropuerto, su avión sufre un cortocircuito debido a una tormenta eléctrica, pero recupera la energía. Tras llegar, descubren que su socio sueco, Skyler (Joel Kinnaman), les ha traicionado y ya ha hecho un trato con los rusos, utilizando una aplicación de imitación. Van a un club nocturno y se encuentran con Natalie (Olivia Thirlby), una estadounidense, y su amiga australiana Anne (Rachael Taylor). Las luces se apagan en el club y todos se dirigen al exterior. Allí, son testigos de lo que parece ser una aurora. Bolas de luz caen del cielo y luego se desvanecen. Cuando un policía investiga, es rápidamente desintegrado. Los entes invisibles comienzan a cazar y a matar a la gente, provocando el pánico.

Ben, Sean, Natalie, Anne y ahora Skyler se esconden en el almacén del club durante siete días. Sin la mayor parte de su comida, el grupo planea ir a la embajada americana. Encuentran la ciudad llena de coches calcinados y cenizas, pero vacía de gente, excepto por una anciana recelosa que les advierte de "los fantasmas". Ben y Sean buscan provisiones en un coche de policía cerca de la Plaza Roja, mientras los demás se esconden en el cercano centro comercial de los grandes almacenes GUM. Mientras buscan en el coche, un perro que ladra descubre y se enfrenta a un alienígena, pero es asesinado. Ben y Sean consiguen esconderse bajo el coche mientras el alienígena se acerca, lo que hace que se enciendan las luces y la sirena del coche. El alienígena sigue adelante y los hombres corren hacia el centro comercial. Sean se da cuenta de que las bombillas y otras tecnologías delatan a los alienígenas. El grupo se refugia en una de las tiendas del centro comercial. Sean y Natalie van a buscar ropa y casi se topan con un alienígena que no puede verlos a través de una pared de cristal. Sean teoriza que los alienígenas sólo pueden ver su carga eléctrica, pero no a través del cristal u otros aislantes.

El grupo encuentra la embajada estadounidense destruida y sin vida. Todos, excepto Skyler, suben al tejado para obtener una vista aérea. Encuentran un cuaderno de bitácora que les dice que la invasión es mundial. También encuentran una radio que emite un mensaje en ruso y oyen disparos. Ben y Sean salen a ayudar a Skyler, pero lo matan. Los demás ven una luz en una torre de apartamentos cercana y van a investigar, llevando la radio que encontraron. Encuentran a una joven llamada Vika y a un hombre llamado Sergei, un ingeniero eléctrico. Sergei ha convertido su apartamento en una gigantesca jaula de Faraday que oculta a todos de los alienígenas. También ha desarrollado una pistola de microondas que debilita el campo de fuerza de los alienígenas, de modo que se les puede ver y matar. Vika y Sergei traducen el mensaje, que dice que el submarino nuclear K-152 Nerpa está esperando en el río Moscú para llevar a los supervivientes a un lugar seguro.

Mientras Sergei muestra a los hombres el dispositivo de microondas, Vika, Natalie y Anne se dirigen a otros apartamentos para recoger suministros para el viaje en submarino. Un alienígena las percibe fuera de la jaula de Faraday y las persigue; Anne duda en seguir a Vika y se va por otro camino, lo que hace que Natalie la siga de nuevo al interior. Cuando llegan al apartamento, Natalie es incapaz de cerrar la puerta y el alienígena se mete dentro. Sergei dispara al alienígena con su pistola y comprueba que sólo está aturdido. El alienígena mata a Sergei mientras los demás salen por la escalera de incendios. Anne vuelve a dudar y es asesinada mientras intenta escapar. Natalie prende fuego al apartamento mientras bajan y se reúnen con Vika.

Se encuentran con un equipo de policías rusos con armaduras improvisadas liderados por Matvei que consiguen herir a un alienígena con armas convencionales. Sean recoge un trozo del cuerpo del alienígena. El pequeño grupo de policías también consigue construir otra jaula de Faraday en la Biblioteca Estatal Rusa. Boris y sus hombres acaban accediendo a ayudar a los cuatro restantes a llegar al submarino. Los policías creen que los extraterrestres están extrayendo metales conductores, ya que se pueden ver gigantescas columnas de luz perforando por todo Moscú. Mientras avanzan por el metro, un alienígena les descubre y escapan por las vías. Vika se esconde detrás de un pilar, incapaz de unirse a los demás sin ser vista. Ben la ayuda a bajar a las vías, pero es asesinado por el alienígena.

Los supervivientes consiguen llegar a una lancha patrullera en el río y se dirigen río abajo hacia el submarino que les espera. El barco se acerca al submarino, pero encalla. Cuando intentan liberarse, un nuevo rayo de luz destruye un gran edificio de apartamentos justo al lado del río, haciendo que la lancha vuelque. Sean y los policías nadan hacia el submarino, pero al llegar a él descubren que Natalie ha desaparecido. Ven una bengala disparada por la pistola de bengalas de Natalie en un patio de trenes y autobuses cerca del río. Sean está decidido a atraparla, perdiendo posiblemente su oportunidad de escapar. Los policías aceptan ayudarle a rescatarla. La tripulación del submarino ruso, tras expresar sus dudas sobre el rescate, le ayuda construyendo otra pistola de microondas con baterías más potentes.

Después de que el equipo consiga destruir a un alienígena, Sean encuentra a Natalie en un autobús mientras los policías y Vika destruyen a otros tres alienígenas utilizando las pistolas de microondas y el agua. Cuando Sean está a punto de bajar del autobús con Natalie, un alienígena sube a bordo, cierra la puerta y hace que el autobús dé vueltas a toda velocidad por el patio. Se aferra a la pierna de Natalie, pero Sean hace estallar el escudo del alienígena con la pistola de microondas. Entonces descubre la debilidad del alienígena cuando lanza un trozo del alienígena herido que había recogido antes, y éste destruye al alienígena sin escudo. Los dos detienen el autobús y evitan por poco una colisión.

Tras regresar al submarino, el equipo de policía decide quedarse y luchar por la ciudad, y Matvei les dice que ahora la guerra ha comenzado. Sean, Natalie y Vika planean difundir al resto del mundo lo que han aprendido sobre los alienígenas: las armas de microondas y su vulnerabilidad a los trozos de otros alienígenas muertos. Sean y Natalie, los únicos supervivientes del grupo original junto con Vika, casi comparten un beso en el submarino. En una escena posterior a los créditos, mientras el submarino navega por el Mar Caspio, se enteran de que los supervivientes de París consiguieron destruir una torre minera alienígena.