Roy Adams (Ryan Reynolds), David Jordan (Jake Gyllenhaal) y la tripulación de la Estación Espacial Internacional viajan a Marte con el objetivo de comprobar si las muestras recogidas en el planeta rojo presentan indicios de vida inteligente. Cuando uno de los científicos a bordo examina la única célula encontrada, todo el equipo presencia un hecho insólito: la prueba incuestionable de que hay vida extraterrestre.
Ante su asombro, deciden examinar y establecer el primer contacto con el organismo alienígena. Desgraciadamente, el grupo de astronautas descubrirá demasiado tarde que esta forma de vida es más inteligente de lo que esperaban, hasta tal punto que sus vidas podrían estar en grave peligro. Si ese ente microscópico llega a la Tierra podría poner en peligro toda existencia humana. ¿Cuál es exactamente la amenaza a la que se enfrentan? ¿Cómo le harán frente?