L'ingénieure Ryan Stone a été choisie pour une mission dans l'espace. Elle fait le voyage avec l'astronaute chevronné Matt Kowalsky qui entreprend son dernier vol avant la retraite. Alors qu'ils font des travaux à l'extérieur de la navette, une pluie de débris les surprend et détruit tout sur son passage. Bientôt, le docteur Stone et l'astronaute Kowalsky flottent dans le vide et n'ont plus aucun contact avec la NASA. Malgré la panique qui l'habite, Stone écoute attentivement les instructions de son acolyte. Pour survivre, les deux humains en pénurie d'oxygène doivent s'enfoncer dans la noirceur afin de rejoindre une station spatiale d'où ils pourraient peut-être communiquer avec la Terre.