库珀是一名前 NASA 宇航员，如今以种植农作物为生，和女儿墨菲、儿子汤姆一起生活。墨菲总觉得自己的房间有神秘力量，库珀也发现一些难以解释的现象。此时地球环境恶化，沙尘暴肆虐，粮食作物接连灭绝。NASA 秘密基地的布兰德教授找到库珀，希望他能驾驶宇宙飞船穿越虫洞，前往另一个星系寻找适合人类居住的星球。库珀告别家人踏上了星际之旅。在穿越虫洞后，他们先后抵达三颗星球，遭遇了巨浪、时间膨胀等极端情况。布兰德教授在地球上因无法解开引力方程遗憾离世。库珀为了让队友布兰德有足够燃料前往最后一颗可能适宜居住的星球，他驾驶飞船坠入黑洞，进入了五维空间。在五维空间里，库珀通过引力向过去的墨菲传递信息，最终墨菲解开难题，人类得以获救。多年后，库珀与已垂垂老矣的墨菲短暂相聚后，又踏上寻找布兰德的新旅程。