Meg Murry, de trece años, lucha por adaptarse a la escuela debido al acoso escolar y a la depresión, cuatro años después de la desaparición de su padre Alex, un reconocido astrofísico. Meg y su talentoso hermano menor Charles Wallace son enviados al director después de que Charles regañe a un par de profesores chismosos, y Meg toma represalias contra Verónica, la vecina de Meg y acosadora de toda la vida. Meg y su madre Kate descubren a Charles con una inusual visitante, la señora Whatsit, que afirma que el teseracto -un método de viaje espacial que Alex estaba estudiando- es real.

Meg y Charles conocen a su compañero de clase Calvin O'Keefe, que se une a ellos en la casa de la Sra. Quién, otra extraña amiga de Charles que sólo habla entre comillas. Calvin cena con los Murrys, y Kate recuerda el compromiso de Alex con su investigación a pesar del ridículo público. En el patio trasero, la Sra. Whatsit y la Sra. Who aparecen con la Sra. Which, revelándose como viajeros astrales. Explicando que han venido a ayudar a encontrar a Alex, que se ha transportado a través del universo, las señoras conducen a Meg, Calvin y Charles a través de un teseracto al lejano planeta Uriel.

Las flores sensibles del planeta confirman que Alex visitó Uriel, y la Sra. Whatsit se transforma en una criatura voladora, llevando a los niños al cielo. Calvin casi cae al vacío tras divisar un planeta oscuro que la Sra. Cual identifica como Camazotz, hogar de una energía maligna conocida como "la TI". Se dirigen al planeta Orión para buscar la ayuda de un vidente llamado Happy Medium. La Sra. Which revela que la TI propaga la negatividad por todo el universo, incluida la Tierra: Los profesores cotillas de Charles estaban celosos del ascenso del director; Verónica se juzga a sí misma por su peso; el amable vecino de los Murrys es asaltado por adolescentes muy inseguros; y el padre de Calvin es un perfeccionista abusivo.

Happy Medium ayuda a Meg a superar sus dudas, y se enteran de que su padre probó a Uriel, luego a Ixchel, pero quedó atrapado en Camazotz. Las misses insisten en que se reagrupen en la Tierra, pero la determinación de Meg de salvar a su padre anula el teseracto, redirigiéndolas involuntariamente a Camazotz. Incapaces de quedarse, ya que el mal de Camazotz es más fuerte que su luz, las misses les otorgan regalos antes de partir: La Sra. Quién le da a Meg sus gafas para ver lo que realmente hay, la Sra. Cuál le da a Meg el conocimiento de sus defectos, y la Sra. Cuál les da a los niños la orden de no separarse nunca.

Aparece un bosque que separa a Meg y Calvin de Charles, y son perseguidos por una tormenta parecida a un tornado. Meg utiliza la propia fuerza de la tormenta para lanzarlos a ella y a Calvin sobre la pared de un acantilado, donde se reúnen con Charles. Se encuentran en un barrio de casas parecidas, niños y madres; una mujer les invita a entrar, pero Meg se niega, recordando a Calvin y Charles que no deben confiar en nadie. Su entorno se transforma en una playa abarrotada, donde un hombre se presenta como Red, asegurándoles que Alex está a salvo, y les ofrece comida. Cuando Charles dice que sabe a arena, Red le posee a través de la TI, de la que Red es en realidad una marioneta.

Meg y Calvin persiguen a Red y a Charles entre la multitud, pero quedan atrapados en una sala esférica aparentemente vacía. Red se desactiva mientras Charles se burla de Meg y Calvin. Usando las gafas de la Sra. Quién, Meg encuentra una escalera invisible que lleva a otra habitación donde su padre está encarcelado. Después de un reencuentro con lágrimas en los ojos, son arrastrados por Charles para conocer a su amo. Mientras Calvin y Meg caen bajo el poder del informático, Alex abre un teseracto para escapar con los dos. Negándose a abandonar a Charles, Meg se proyecta de vuelta a Camazotz y se enfrenta a la TI en su malévola forma neuronal.

Charles y la TI intentan obligar a Meg a entregarse a la oscuridad, amenazándola con una versión idealizada de sí misma, pero Meg acepta sus propias imperfecciones y utiliza su amor por su hermano para liberarlo. Los IT se disipan cuando reaparecen las misses, felicitando a Meg y Charles por haberse convertido en "guerreros de la luz", y Meg los lleva a casa. Alex se reúne con su familia, y Calvin se va a enfrentar a su padre, mientras Meg mira al cielo, agradeciendo a las Señoras.