時間進入2050年，地球因人口激增與環境惡化瀕臨崩潰，人類將生存希望寄托于火星。科學家通過數十年無人探測器改造火星大氣初見成效，但設備突發故障導致移民計劃中斷。為重啟"阿爾忒彌斯"生態基地工程，以生物學家凱特·鮑曼（凱瑞-安·莫斯飾）和工程師羅比·加萊爾（方·基默飾）為首的六人科考隊緊急登陸火星。在極端溫差、致命沙暴與氧氣危機中，團隊逐漸發現故障源于未知智能體干擾。隨著成員接連犧牲及信任危機爆發，羅比為修復主反應堆自愿接受危險改造手術，最終以半機械人形態維持基地運作至生命盡頭。凱特攜帶新人類胚胎庫繼續任務，此時火星地表首次降下液態水滴，為文明延續帶來曙光。