公元2020年，人类首次成功登陆火星。云集众多顶尖科学家的世界空间站（World Space Station）正在开展一项载人飞船火星登陆计划。肩负重任的4名宇航员在火星表面发现一座神秘的穹形建筑，他们将信息发送回指挥中心后，开始用雷达扫描这座不明建筑。突然，建筑物周围产生了类似沙尘暴的强劲漩涡，3名宇航员不幸遇难。风暴平息后，唯一的幸存者——指挥官卢克·格雷厄姆（唐·钱德尔 饰）发现高强度电磁脉冲已毁坏了飞船上的大部分电子设备。地球指挥中心得知噩耗后，立即派遣指挥官伍德罗·布莱克（蒂姆·罗宾斯 饰）、副官吉姆·麦康奈尔（加里·西尼斯 饰）、任务专家特芮·费希尔（康妮·尼尔森 饰）和菲尔·奥梅尔（杰瑞·奥康奈尔 饰）前往火星调查事件真相并营救幸存者。四人乘坐的飞船在准备进入火星轨道时遭遇密集的细小陨石，飞船机舱受损，发动机也因燃料箱爆炸而毁坏。穿上增压服放弃飞船的众人又接连遭遇危险情况，危急时刻，为保护特芮，伍德罗毅然选择牺牲。救援小组的剩余成员在火星上找到了卢克，卢克告诉他们神秘建筑其实就是“火星上的人脸”，而且它发出的声波竟是人类DNA的图谱。卢克等人破解了声波信号，并发出信号中缺失的一对染色体声波，建筑物的入口随即打开。众人在巨大的暗室中发现了太阳系的立体影像，原来火星曾遭受小行星撞击，火星人纷纷搭乘飞船撤离，有一艘飞船选择留下并将火星人的初级生命形式带到了地球。几十亿年后，这种生命形式演变成人类，未来有一天，人类将在火星着陆，知晓自己是火星人的后裔。最后，吉姆接受了火星人的邀请，前往宇宙深处探寻火星人移居的新星球。