Durante un paseo espacial rutinario, dos astronautas sufren un grave accidente y quedan flotando en el espacio. Una es la doctora Ryan Stone, una brillante ingeniera en su primera misión espacial en la Shuttle. Su acompañante es el veterano astronauta Matt Kowalsky. Durante el paseo algo sale mal y ocurre el desastre: el shuttle queda destrozado, dejando a Ryan y Matt completamente solos, momento a partir del cual intentarán por todos los medios volver a la Tierra.

El astronauta Mark Watney, un botánico e ingeniero mecánico de la NASA, se ve atrapado en el planeta Marte cuando la tripulación del Ares 3 debe evacuar su lugar de aterrizaje ante una tormenta de arena. Sin su tripulación, se ve obligado a encontrar la forma de regresar a la Tierra y sobrevivir confiando en sus habilidades científicas y técnicas, antes de que se le agoten los suministros. Mientras que sus compañeros astronautas piensan que podría estar muerto, Watney comienza a escribir un diario divagando sobre el futuro, después de su muerte. Cuando la NASA descubre a través del satélite que Mark podría estar vivo, comienzan a trabajar sobre su rescate, ocultándoselo al resto del grupo.

La película cuenta la historia de Sam Bell, un astronauta que se encuentra cerca de finalizar su contrato con Lunar, empresa para la que ha trabajado durante tres años viviendo en Selene, una base lunar desde la que ha estado extrayendo gas de la mina Helium 3, a causa de la terrible crisis energética que está pasando la Tierra. Dos semanas antes de su regreso a casa con su mujer y su hija, Sam comienza a tener extrañas visiones y a sentirse extraño, pero no será hasta la llegada de sus sustituto cuando Sam vea sus sospechas en cuanto a los verdaderos propósitos de Lunar hechos realidad, pues algo más que su contrato va a expirar en breve.