2032 год. Главный герой по имени Райланд Грейс просыпается в какой-то странной комнате. Голова тяжёлая, мысли путаются, ничего не помнит. Он был в искусственной коме. Медленно начинает соображать: он на космическом корабле, который летит где-то очень далеко от Земли. И он — единственный, кто выжил из трёх человек экипажа. Двое других умерли ещё по пути. Корабль называется «Хейл Мэри», и он в другой солнечной системе, в нескольких световых годах от дома.
Грейс сначала вообще как в тумане. Ходит по кораблю, смотрит на приборы, пытается понять, кто он такой и зачем здесь. Постепенно память возвращается кусками. Оказывается, он обычный учитель в средней школе в Америке. До этого был молекулярным биологом, но потом бросил науку и стал преподавать детям. А теперь вот он — единственный выживший на межзвёздном корабле.
Всё началось за несколько лет до этого, на Земле. Учёные заметили странную штуку: от Солнца к Венере тянется какая-то инфракрасная линия. Назвали её «линия Петровой». Потом разобрались: на Солнце завёлся микроорганизм, который назвали «астрофаг». Эти крошечные твари размножаются прямо на поверхности Солнца и заставляют его тускнеть. Через тридцать лет Солнце потухнет настолько, что на Земле начнётся глобальное похолодание, ледниковый период, и человечество, скорее всего, вымрет.
Правительства всех стран в панике. Специальный агент по имени Ева Стратт собирает лучших учёных со всего мира. Среди них и Райланд Грейс. Они изучают астрофаги. Выясняется, что эти организмы — настоящие монстры на микроскопическом уровне. Они не пропускают вообще никакое электромагнитное излучение. Размножаются на Венере, жрут углекислый газ тамошней атмосферы и энергию от Солнца. А линия Петровой — это след от их «выхлопа», когда они летают туда-сюда между Солнцем и Венерой. И вот этот самый выхлоп можно использовать как топливо для суперэффективного, но очень опасного космического двигателя.
Учёные понимают: астрофаги уже заразили другие близкие звёзды. Только одна звезда по имени Тау Кита пока не потускнела. Значит, там что-то мешает астрофагам размножаться. И тогда запускают международный проект «Хейл Мэри» — «Аве Мария». Это самоубийственная миссия. Корабль отправляют к Тау Кита, чтобы разобраться, в чём там дело. Топлива из астрофагов хватает только в одну сторону. Экипаж должен провести исследования и отправить результаты обратно на Землю с помощью зондов. Самому экипажу возвращаться не на чем. Это билет в один конец.
Грейс вспоминает, как всё происходило. Сначала выбрали командира, инженера и учёного, плюс их запасные. Но за три дня до старта во время эксперимента с астрофагами происходит авария. Учёный и его запасной погибают. Времени на подготовку нового человека нет. Стратт смотрит на Грейса и говорит: «Ты полетишь вместо него». Грейс отказывается наотрез — он не герой, он просто учитель, у него нет никакой подготовки для такого полёта. Тогда люди Стратт его просто усыпляют и насильно засовывают на корабль в состоянии комы. Он просыпается уже в космосе, далеко от дома.
Сейчас, в настоящем времени фильма, Грейс приближается к Тау Кита. И вдруг видит чужой космический корабль. Этот корабль пристыковывается к «Хейл Мэри». Он сделан из какого-то твёрдого ксенона, Грейс даже шутит и называет материал «ксенонитом». Из корабля выходит… инопланетянин. Выглядит как большой камень с пятью ногами. Грейс называет его Рокки — в честь Рокки Бальбоа из фильма. Оказывается, Рокки прилетел с планеты в системе 40 Эридана А. У эридианцев нет глаз, они «видят» с помощью эхолокации, как летучие мыши. Говорят они музыкальными аккордами, поэтому Грейс быстро собирает переводчик, который превращает эти звуки в человеческий язык.
Рокки тоже механический инженер и тоже единственный выживший из своей миссии. Они с Грейсом не могут дышать воздухом друг друга, поэтому Рокки перемещается в маленьком шарике из ксенонита, как в скафандре. Они быстро находят общий язык. Оба пытаются спасти свои миры от астрофагов.
Вместе они летят вдоль линии Петровой у Тау Кита и находят планету, которую называют Эдриан — в честь подруги Рокки. На этой планете живёт организм, который ест астрофаги и держит их популяцию под контролем. Это настоящая надежда!
Грейс понимает, что сам домой не вернётся — топлива мало. Но Рокки великодушно предлагает поделиться своим запасом астрофагов, чтобы Грейс мог полететь обратно на Землю. Они вместе отправляются собирать этот полезный организм в верхних слоях атмосферы Эдриан. И тут происходит катастрофа: утечка топлива, корабль начинает неконтролируемо крутиться. Грейс теряет сознание. Рокки, чтобы спасти друга, ломает свой ксенонитовый скафандр, выходит в чуждую атмосферу и вытаскивает Грейса. Сам при этом сильно травмируется.
Пока Рокки лежит в спячке и восстанавливается, Грейс работает как проклятый. Он учится выводить этот организм, который теперь называется «таумёба», так, чтобы он мог выжить в атмосфере Венеры. Если таумёба сможет жить на Венере, она съест там всех астрофагов и спасёт Солнце.
Рокки приходит в себя. Они прощаются как настоящие друзья и улетают каждый к своей планете.
Но на пути к Земле Грейс обнаруживает страшную проблему. Таумёба эволюционировала и научилась проходить сквозь ксенонит. Она жрёт топливо прямо на его корабле. Грейс успевает починить всё у себя, но понимает: корабль Рокки полностью сделан из ксенонита. Таумёба сожрёт не только всё топливо, но и сам корабль. Рокки обречён. Его планета тоже погибнет.
И вот здесь Грейс принимает самое тяжёлое решение в своей жизни. Он разворачивает корабль и летит спасать Рокки и весь народ эридианцев. Вместо того чтобы вернуться домой к людям, он отправляет все зонды с таумёбой и своими исследованиями на Землю. Сам же направляется к планете Рокки.
На Земле Ева Стратт получает зонды. Человечество получает средство против астрофага. Солнце спасено, ледниковый период отменяется.
А Грейс теперь живёт на планете эридианцев в специальном искусственном биокуполе, где для него создали земную атмосферу и условия. Рокки приходит к нему и радостно сообщает: «Наши учёные закончили готовить „Хейл Мэри“ к обратному полёту на Землю. Ты можешь вернуться домой!»
Грейс стоит и думает. Он смотрит на Рокки, на чужой мир вокруг, на детей-эридианцев, которым он теперь каждый день преподаёт науку. И вместо того чтобы сразу сказать «да», он просто улыбается и говорит: «Завтра продолжим урок». Он начинает новый день, объясняя инопланетным малышам, как работает мир.
