세계에서 가장 혁신적인 회사 중 하나로 꼽히는 스페이스X. 이들이 추진중인 수많은 계획들 중에는 인류를 화성에 보내려는 계획 또한 포함되어 있다. 영화는 3년 동안의 시간에 걸쳐 이 거대하고 어려운 계획에 대한 뒷이야기를 다룬다. 스페이스X의 CEO인 엘론 머스크와 그와 함께 일하는 엔지니어들의 뒤를 쫓으며, 이들이 겪은 크나큰 실패와 거대한 성공 모두가 예상보다 빠른 우주항공 산업의 발전을 이끌어낼 수 있는 밑거름이 되는 과정을 추적한다.

서기 2084년. 어느 신도시에서 광산일을 하고 사는 퀘이드(아놀드 슈왈젠에거)는 미모의 아내 로리(샤론 스톤)와 행복하게 살아가지만 밤마다 이상한 꿈을 꾸게 된다. 한 번도 가본 적이 없는 화성에서 이름도 알 수 없는 갈색머리 여자와 행복하게 살고 있는 것이 자꾸 꿈으로 나타나자 퀘이드는 리콜이라는 여행사를 찾아간다. 이곳은 싼값으로 우주 여행을 다녀온 것처럼 뇌 속에 기억을 이식시켜줌으로써 욕구를 충족시켜주는 곳. 이식을 받던 퀘이드는 커다란 충격에서 깨어나 놀라운 사실들을 알게 되는데...

화성 유인 우주선이 막 출발하려는 순간, 수많은 관중들이 숨을 죽이며 카프리콘의 발사를 기다리고 있다. 캡슐 안에서 대기 중이던 승무원 3인은 긴급사항임을 알리는 지시에 따라 다른 장소로 옮겨지고 우주선은 그대로 발사가 된다. 부통령을 포함한 관중들은 열광적으로 환호하고. 카프리콘 프로젝트의 총 책임자 켈로웨이 박사에게 인도된 세 승무원은 강력하게 해명을 요구한다. 켈로웨이가 전하는 충격적인 사실은 생명 유지 장치의 하자로 인해 우주선 발사가 불가능하게 된 것으로, 이를 해결하기 위해 궁여지책으로 생각해 낸 것이 무인우주선으로 발사하고 세트장에서 착륙작면을 촬영, 그 화상을 휴스톤으로 보낸다는 것이다. 터무니 없는 미 항공우주국의처사에 승무원들은 완강히 반대하나 가족의 생명을 담보로 한 그들의 요구를 어쩔 수 없이 수락하고 만다. 한편 휴스톤의 기지에서 근무하는 과학자 워터는 전송되어 오는 화상이 수백만 마일 밖에서 오는 것이 아님을 눈치채고 켈로웨이에게 얘기하나 시큰둥한 대답만 듣는다. 뭔가 수상함을 느낀 그는 기자인 코필드에게 얘기를 하는데 자세한 얘기도 해주지 못한채 흔적도 없이 실종되어 버리고 만다. 카프리콘이 귀환하면 그 장소로 가서 구조선이 올때까지 기다리기로 했던 계획이 대기권에도 진입하지 못하고 폭발해 버리자 켈로웨이 등은 부르베이커를 비롯한 승무원 3인을 없애려 한다. 이를 눈치챈 브루베이커 일행은 탈출한다. 이들을 추적하는 헬리콥터 부대. 윌리스와 워커는 그만 죽음을 당하고 브루베이커만 코필드의 도움으로 탈출해 자신의 장례식에 그 모습을 드러낸다.

불분명한 시기, 어느 해 5월. 화성인이 지구에 나타난다. 세계 평화 유지와 자유 진영의 지도자임을 자청하는 미국 대통령 제임스 데일은 이들은 맞을 채비를 한다. 그러나 평화를 원한다던 화성인들은 네바다 사막에서 대기 중이던 지구의 환영단 케이시 대장을 비롯한 환영인파를 무참히 사살해버린다. 이러한 사태의 원인이 커뮤니케이션의 문화적 차이라고 판단한 제임스는 화성인과의 재교신을 시도한다. 이 교신에서 화성인들이 공식적인 사과문을 보내오자 제임스와 각료들은 기뻐하지만....

우주 비행사는 생명력이없는 지구에서 산소, 물 및 음식을 찾는 법을 알아 내야 만합니다. (구글번역)

서기 2025년. 지구는 자원 고갈과 환경 파괴가 극에 달한다. 지구를 대체하기 위해 인류는 '화성 식민지화 프로젝트'에 착수한다. 사람들의 계획은 무인 우주선을 이용 화성에 이끼를 키워 산소를 생성시킨다는 것이다. 그러나 30년뒤 화성 식민지화 프로젝트에 갑작스런 이상이 발생하고 탐사 대장 케이트 바우만 대위(캐리 앤 모스)를 비롯해 과학자와 종교인, 군인, 엔지니어 등으로 이루어진 6명의 탐사대원은 화성 탐사에 나선다.