La película comienza con la boda de Justine (Kristen Dunst) y Michael (Alexander Skarsgard). La boda se llevará a cabo en la casa de la hermana de Justine, Claire (Charlotte Gainsbourg). El marido de Claire, John (Kiefer Sutherland) pagó toda la boda. Termina siendo un completo desastre. Justine deja su trabajo, tiene relaciones sexuales con otro chico y rompe el matrimonio.

Comenzamos a ver que Justine tiene algunos problemas mentales, pero parece que esta bien con su familia. En la recepción, Justine ve una estrella en el cielo. Ella le pregunta a John al respecto. Él sabe realmente de astronomía. Él se sorprende de que ella haya notado la estrella y dice que es de cierta constelación.

A medida que avanza la película, descubrimos que la estrella es realmente un planeta que ha estado oculto detrás del sol, durante MUCHO tiempo. Este nuevo planeta se llama Melancholia. Pasará por la tierra y debería ser solo un "sobrevuelo".

Justine se rompe por completo a medida que el planeta se acerca. Ella va a quedarse con Claire, John y su hijo por un tiempo. Claire quiere ayudar a su hermana, además está muy preocupada de que Melancholia vaya a estrellarse contra la Tierra.

Cuando Justine llega a la casa de Claire, ni siquiera puede caminar sola. Ella no tiene fuerzas. Todo lo que quiere hacer es dormir.

Claire intenta ayudar a Justine a ducharse, pero ni siquiera puede meterse en la bañera. Poco a poco, Justine comienza a volver a la vida. Mientras hace esto, vemos que Claire está MUY preocupada por Melancholia. Ella va a la tienda y compra algún tipo de píldoras.

Si el planeta va a estrellarse contra la Tierra, ella quiere sacar a su familia de cualquier miseria. John ve las píldoras y le pregunta groseramente si ella tiene suficiente para matarlos a todas. Ella se enfada.

John le ha estado diciendo a Claire que está exagerando sobre el nuevo planeta. Ella debería estar muy emocionada al respecto. Tiene un telescopio de alta potencia que usa todos los días para mirar Melancholia.

Llega la noche del sobrevuelo y vemos este enorme y hermoso planeta azul. Se acerca mucho y se mete con nuestra atmósfera por poco tiempo. Entonces el planeta comienza a alejarse de la tierra.

Claire está muy aliviada. Justine todavía no es ella misma. Ella sabe que esto no ha terminado. Al día siguiente, John mira a través de su telescopio y parece muy molesto por algo. Claire le pregunta qué está pasando porque, hasta donde ella sabe, Melancholia se está alejando de nosotros. Claire se queda dormida afuera mientras John todavía mira por el telescopio.

Cuando Claire se despierta, John se va. Ella camina hacia el telescopio y usa un dispositivo que su hijo hizo para decir cuán lejos está Melancholia de nosotros. Ella se da cuenta de que el planeta está volviendo a la Tierra. Ella corre por toda la casa buscando a John. Finalmente lo encuentra en el establo del caballo. Se ha quitado la vida usando todas las píldoras que Claire compró antes.

Sabiendo que la Tierra será destruida, trata de mantenerla unida para su hijo. Ella les prepara el desayuno a Justine y a él. De repente lo entienda, y ella coge a su hijo e intenta conducir hasta la ciudad.

Justine le pregunta qué está haciendo. Claire le dice que vaya con ellos, y Justine dice que no. Ninguno de los coches arrancará. Claire usa un carrito de golf e intenta conducir hasta la ciudad. La batería se agota y tiene que caminar de regreso a la casa con su hijo. Él no tiene zapatos y una gran tormenta de granizo cae sobre ella.

Regresa a la casa y la tormenta de granizo ha terminado. Ella mete a su hijo en la cama y va a hablar con Justine. Ahí es cuando Justine le dice que ella sabe cosas. Ella siempre ha sabido cosas que nadie más sabría. Dos cosas que sabe con certeza es que estamos completamente solos en este universo, y todos moriremos muy pronto.

Claire intenta hacer planes especiales para el fin del mundo. Justine piensa que su idea es estúpida y dice que no. Justine está afuera mirando a Melancholia cuando el hijo de Claire se acerca a ella. Él le dice que tiene miedo. Justine le dice que no lo tenga porque sabe cómo hacer una cueva escondida que los mantenga a salvo.

Los dos encuentran piezas de madera, y Justine hace un fuerte. Los tres entran y se cogen de las manos. Justine le dice al hijo que cierre los ojos al igual que Claire. Justine observa cómo Melancholia se estrella contra nosotros.