Действие фильма происходит в будущем. Сэм Белл — астронавт-контрактник, заканчивает трёхлетнюю одиночную вахту на лунном горнодобывающем комплексе компании «Лунар». Комплекс обеспечивает добычу изотопа гелий-3, с помощью которого удалось остановить катастрофический энергетический кризис на Земле. Сэм живёт на лунной базе «Саранг», которая расположена на обратной стороне Луны и на которой кроме него есть только робот по имени ГЕРТИ (голос Кевина Спейси). Прямой связи с Землёй у базы нет из-за повреждения лунного ретранслирующего спутника, поэтому обмен сообщениями с Землёй осуществляется через удалённые космические базы с большой задержкой. Время от времени Сэму приходят видеозаписи обращений его жены; на Земле его также ждёт маленькая дочь.

За две недели до окончания трёхлетней вахты Сэм начинает чувствовать неладное. У него начинается расстройство психики, вызванное длительным одиночеством. Когда в очередной раз Сэм отправляется забрать добытый изотоп из работающего добывающего модуля, он видит галлюцинацию, отвлекается и попадает в аварию, столкнувшись с модулем…