Femme forte et déterminée, Lucy s'est forgé une solide réputation dans les rangs très compétitifs de la NASA. De retour sur Terre après une mission de quinze jours dans l'espace, l'astronaute a cependant bien du mal à accepter la banalité de sa vie de famille.
Houston, Texas. Quelques minutes avant le départ d'un vol habité à destination de la planète Mars, les trois astronautes présents dans la fusée sont évacués. Ce vol est une question de prestige pour la NASA et un enjeu électoral pour le Président des États-Unis, et nul n'a voulu prendre le risque d'un échec. Aussi, les trois astronautes sont-ils emmenés dans un lieu secret, où ils devront simuler devant des caméras de télévision l'exploration de la planète Mars. En cas de refus, leurs familles seront en danger...
Richard Feynman, un scientifique de renom ayant obtenu le prix Nobel de physique, fait parti de la commission qui va tenter d'expliquer l'échec du lancement de la navette Challenger. En effet, le 28 janvier 1986 la navette spatiale explose 73 secondes après son décollage sans aucune raison apparente. Feynman va alors tout mettre en oeuvre pour comprendre comment une telle tragédie a pu se produire...
L'ingénieure Ryan Stone a été choisie pour une mission dans l'espace. Elle fait le voyage avec l'astronaute chevronné Matt Kowalsky qui entreprend son dernier vol avant la retraite. Alors qu'ils font des travaux à l'extérieur de la navette, une pluie de débris les surprend et détruit tout sur son passage. Bientôt, le docteur Stone et l'astronaute Kowalsky flottent dans le vide et n'ont plus aucun contact avec la NASA. Malgré la panique qui l'habite, Stone écoute attentivement les instructions de son acolyte. Pour survivre, les deux humains en pénurie d'oxygène doivent s'enfoncer dans la noirceur afin de rejoindre une station spatiale d'où ils pourraient peut-être communiquer avec la Terre.
Lors d’une mission spatiale à destination de Mars, un passager clandestin, involontaire, prend place à l’intérieur de la navette. Il provoque alors accidentellement de nombreux dommages au sein du vaisseau spatial et remet en question la réussite du voyage. Les ressources vitales se raréfient et deux réactions opposées surgissent. La chercheuse en médecine s’oppose alors à la vision de sa commandante et du biologiste de la mission.
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