60 años antes de los acontecimientos de la película, se descubrió un enorme objeto tetraédrico extraterrestre en las cercanías de la luna Titán de Saturno. Jack (Tom Cruise), su esposa Julia (Olga Kurylenko) y Victoria (Andrea Riseborough) formaron parte del equipo enviado por la NASA para examinar el objeto.

Jack y Victoria fueron capturados, poco después de que expulsó al resto de la tripulación (incluida su esposa) que fue suspendida en "Delta Sleep" (estasis) para salvarlos.

El objeto, llamado "El Tet", que en realidad es una inteligencia artificial alienígena enorme (y en su mayoría vacía), clonó a Jack y usó a miles de "él" para invadir la Tierra.

Para ayudar a su causa, también destruyó la luna, causando enormes mareas y terremotos, destruyendo la mayor parte del planeta. Después de conquistar la Tierra, algunos Jacks y Victorias clonados se quedaron en la tierra como "equipos", para reparar los drones automáticos de la A.I que protegen a los grandes hidro convertidores que succionan el agua de mar de los océanos para convertirlos en energía.

Todos los clones de reparación no saben de la existencia de los otros clones, protegidos unos de otros por supuestas "zonas de radiación" a las que no se les permite entrar y también se les dice que "invasores" alienígenas invadieron la tierra, pero la Tierra ganó esa guerra. La población supuestamente sobreviviente de la Tierra está a bordo del Tet, a la espera de viajar a Titán, donde se estableció una colonia de la Tierra, y solo necesita el combustible de los hidro convertidores ...

Luego se observa que el clon de reparación 49 está interesado en los libros que se encuentran en los escombros de los humanos sobrevivientes, los supuestos secuestradores. Su líder, Beech (Morgan Freeman) instala una señal de baliza para la nave que aún mantiene a la tripulación original de Jack en una órbita segura, bajando la nave para que Jack la rescate, convenciéndolo así de ayudar a su causa.

Todavía tiene fragmentos de memoria de una visita al Empire State Building donde le propuso matrimonio a Julia, haciéndole creer la verdadera historia de lo que le pasó a la Tierra contada por Beech y ayudándoles a enviar una celda de combustible desde uno de los drones hasta la nave alienígena.

Julia se propone ir con él y él la engaña y se va con Beech en una cápsula.

Al final, se enfrentan a la A.I. (una pirámide grande y flotante con un ojo rojo brillante similar a HAL) hablando de un cuento de la antigua Roma donde un solo hombre llamado Horatius Cocles sostuvo un puente contra un ejército para proteger la ciudad, luego detonó la celda de combustible que los mata y destruye La nave extraterrestre.

Tres años después, en la Tierra, a Julia (y su hija de 3 años) finalmente la encuentra el clon 52, quien fue eliminado en un encuentro con el clon 49 antes, reuniéndola con Jack.