未来世界中，工程工人道格拉斯（Arnold Schwarzenegger 饰）被持续的梦境困扰，那是一系列发生在红色火星上的体验。道格拉斯在广告上发现了回忆旅行公司的介绍，虽然同事警告他这种虚拟旅行可能会危害人类的大脑，但比起亲自去一趟充斥着反政府武装的火星，回忆旅行公司确是一个不错的选择。道格拉斯如愿接受了回忆旅行的服务，但是虚拟记忆的过程突然出现错误，自此一系列不可思议的经历出现在道格拉斯的身上，先是妻子劳瑞（Sharon Stone 饰）向他发起攻击并承认自己是监视道格拉斯的间谍，后来有陌生人出现帮助他逃脱并指出他是火星独裁者针对反政府武装派出的特工，结果因为一名女子梅丽（Rachel Ticotin 饰）改变了立场……道格拉斯动身前往火星，那里有一切的谜底，或者一切又只是梦境一场？
美国航天中心准备实施一项耗资204亿美元的登陆火星计划。在离火箭点火发射3分钟的时候，宇航员布鲁上校、皮特中尉和沃克被强行请出飞行舱并当即送离发射场。在一个沙漠中摄影棚的密室里，登陆计划的总负责人凯勒威博士接见并向他们解释了事情整个原因。原来，政府认为花204亿到达另一个星球并不划算，同时飞船里的生命系统也根本不能保证他们能到达火星表面。但为了赢得民众对政府的信任，航天局还是下达了如期发射的命令。在包括不知情的副总统和军方高级领导在场的注视下，火箭如期发射并取得巨大成功。就在举国欢庆时，布鲁、皮特和沃克却在凯勒威博士的要挟下，配合摄影师运用电影特技向公众“直播”登陆火星的全过程，从而设置了一套无人驾驶、模拟着陆和飞船烧毁的骗局。当隆重的追悼仪式正在进行的时候，死里逃生的一位航天员突然出现在致哀者的面前，这幕骗局终于大白于天下……
5月9日的傍晚，肯塔基州某地燃烧的牛群狂奔过农场，一架飞碟腾空而起……美国政府很快探知火星人的飞碟已集结在地球周围，经过一番思量，美国总统戴尔（杰克•尼科尔森 Jack Nicholson 饰）决定向世界发布火星人到来的消息。在白宫中，总统夫人玛莎（格伦•克洛斯 Glenn Close 饰）和女儿戴菲（娜塔丽•波曼 Natalie Portman 饰）面对火星人到来像谈论一场寻常的访问活动；在纽约，从事新闻业的史东与娜塔莉正在筹备采访唐纳博士（皮尔斯•布鲁斯南 Pierce Brosnan 饰）；在堪萨斯，瑞奇的哥哥即将担任接见火星人的守卫军人；在拉斯维加斯，昔日拳王拜伦如今为家庭生计苦苦工作。终于到了火星人降临的时刻，他们发出了和平的信号，但之后却是大开杀戒，火星人一再的戏弄政府高层，人们束手无策，然而，真正能战胜火星人的武器出乎了所有人的预料……
本片的创意来自丹尼尔笛福的经典小说《鲁滨逊漂流记》，这部科幻片中的宇宙飞船指挥官克里斯德莱波遭遇了相似的命运，但是他并非被困在荒岛上，这个大英雄漂流到了火星。在这个荒凉的星球上，他必须设法呼吸、找到水源和食物。过了一段日子后，克里斯遇到了另一个人类”星期五”，他刚从另一个外星球逃脱他的奴隶生活。两人找到沟通方式后，很快就建立起友谊，并合作在艰困的环境下生存---将有外星人攻击，和毁灭性的气候现象等着他们。
公元2020年，云集了无数顶尖科学家的世界空间站（World Space Station）正在进行一项载人飞船火星登陆计划。由卢克·格莱姆（Don Cheadle 饰）率领的4人小组成功抵达这颗无人星球，他们在此发现一些奇怪景象，随后小组成员也接连毙命。为了调查这起悲剧 的原因并寻找可能的生还者，空间站派出伍迪·布雷克（蒂姆·罗宾斯 Tim Robbins 饰）率领的救援小组前往火星。 然而救援小组也遭遇诸多磨难，船体损坏、机器失灵、燃料泄漏、成员死亡等等，无一不在消磨着救援人员的斗志。抵达火星后，布雷克他们找到了卢克船长，继而发现亿外年前外星人留在火星上的遗迹和信息，这一切都与人类有着千丝万缕的关系……
时间进入2050年，现代文明的发展和人口数量的激增反而令地球不堪重负，原本美丽的星球已经不再适合人类居住。为了寻找新的生存之地，科学家们将目光所定在与地球环境最为相似的火星。在过去的几十年里，他们不断向火星发射无人飞船，试图运用现代科技来改善火星上相对恶劣的居住环境。然而当一切初见成果之时，火星上的机器却突然出现故障，移民火星的计划被迫停滞。地球的状况愈来愈让人担忧，为了尽快排除故障，由凯特·鲍曼（凯瑞-安·莫斯 Carrie-Anne Moss 饰）、罗比·加莱尔（方·基默 Val Kilmer 饰）等顶尖科研人员组成的探险队奉命前往人类从未涉足的红色星球。他们的旅程从一开始便注定充满磨难，队员们不仅要面对恶劣的外星环境，他们的友情和信任也承受着巨大的考验……
2176年，和平的年代下人口激增，地球早已不堪重负。此时人类文明高度发达，与地球环境最为接近的火星成为人类外太空移民的首选之地。此时，这个红色的星球还只是一个正在开发的处女地，大大小小矿场遍布火星之上。 特警小队指挥官梅兰妮（娜塔莎·亨斯屈奇 Natasha Henstridge 饰）奉命前往火星上名为光明峡谷的矿场小镇，去押解重罪犯威廉姆斯（艾斯·古巴 Ice Cuba 饰）。然而就在不久前，在当地进行考古工作的惠特洛克教授（乔纳·卡西迪 Joanna Cassidy 饰）无意中触动了远古文明的遗址，并唤醒了一个沉睡已久的火星幽灵。它誓要杀掉所有入侵的人类，在生死关头，梅兰妮和威廉姆斯被迫联手，于这个邪恶的幽灵展开斗争……