近未来，地球生态全面崩溃。一种名为枯萎病的植物疾病肆虐，农作物接连绝收，沙尘暴遮天蔽日。人类放弃了科技探索，转向以种植玉米为生的农业文明。前NASA试飞员库珀如今是一位鳏夫玉米农，与岳父唐纳德、十五岁的儿子汤姆和十岁的女儿墨菲生活在简易农舍里。墨菲的房间里时常出现奇怪的重力异常现象——书架上的书自行掉落，形成某种模式。库珀是一位坚定的理性主义者，他通过分析这些异常，发现其中隐藏着二进制坐标，指向一个隐秘地点。

父女二人驱车前往，发现那里竟是一个仍在秘密运作的NASA基地。负责人布兰德教授告诉库珀，土星附近出现了一个虫洞——这是某个未知智慧力量（他们称之为“他们”）放置在那里的通道，通往含有十二个可能宜居候选星球的另一个星系。此前已有十二位先驱者穿越虫洞探索，传回的数据显示其中三颗星球最有希望：米勒星、曼恩星和埃德蒙斯星。库珀被邀请担任“永恒号”的驾驶员，带领布兰德教授的女儿艾米莉亚·布兰德博士、物理学家罗米利、机械师道尔和两个智能机器人TARS与CASE前往。出发前夜，墨菲苦苦哀求父亲留下，库珀承诺一定会回来，赠她一块手表以同步两人的时间。

“永恒号“穿越虫洞后抵达遥远星系。米勒星距离超大质量黑洞”卡冈图雅“极近，因引力导致时间极度膨胀——那里的一小时等于地球上的七年。小队降落后发现星球表面全被浅水覆盖，巨浪高达数百米。在回收数据时，道尔被巨浪吞噬，飞船引擎受损。等他们逃离米勒星时，地球上已过去了二十三年。成年后的墨菲成为NASA的科学家，与垂死的布兰德教授共事。布兰德教授在临终前向墨菲坦白：他早已发现”Plan A”——用反重力方程拯救地球人类——根本不可能解出，他真正押注的是”Plan B”——用携带的受精卵在新的星球上繁衍人类种群，抛弃地球上的人。

“永恒号“燃料不足，只能在曼恩星和埃德蒙斯星中选一个。布兰德主张去埃德蒙斯星（她的恋人埃德蒙斯在那里），但库珀选择去曼恩星——因为曼恩的数据显示那颗星球有宜居大气。在冰冻的曼恩星上，他们找到了休眠中的曼恩博士。然而曼恩承认他的数据全是伪造的——这颗星球表面冰封、大气有毒，根本无法生存。曼恩为了实现”Plan B“，设局试图杀死库珀以夺取“永恒号”。在一番惊险搏斗后，曼恩驾驶飞船与“永恒号”对接时失误爆炸身亡，库珀凭借高超技艺驾驶飞船成功对接，挽救了任务。

库珀决定让布兰德前往埃德蒙斯星执行”Plan B“，自己则利用卡冈图雅黑洞的引力弹弓效应将“永恒号”甩向埃德蒙斯星。在弹弓过程中，为减轻质量，库珀与机器人TARS主动脱离飞船，坠入黑洞。在黑洞内部，库珀进入了一个由五维生物构建的超立方体——一个由墨菲书房的所有时间点叠加而成的空间。他终于明白，所谓的“他们”就是未来进化到五维的人类，他们创造了虫洞和这个超立方体，帮助过去的人类存活。库珀通过引力波向幼年墨菲的书架传递信息——先是用掉落的书拼出”STAY“，又通过手表秒针传递摩斯密码，将黑洞内部的量子数据传给成年墨菲。这些数据使墨菲解出了反重力方程，实现了”Plan A“。

超立方体崩塌，库珀被弹出黑洞，被一艘人类飞船救起。此时地球上已过去近百年，人类已经掌握了利用五维空间技术建造的巨型空间站，在土星轨道上建立了殖民地。年迈的墨菲在病榻上与仍然年轻的父亲重逢——她拯救了地球上的人类，让库珀去寻找在埃德蒙斯星上独自执行”Plan B“的布兰德。影片结尾，布兰德在埃德蒙斯星上独自建立营地，摘下头盔，呼吸着宜居的空气，在异星的天空下开始了人类的新纪元。