在不远的未来，地球环境急剧恶化，沙尘暴席卷全球，农作物因枯萎病大面积死亡，人类文明面临灭绝危机。曾经的NASA宇航员库珀如今是一名农民，与岁父亲及一双儿女生活在农场。十岁的女儿墨菲聪明敏感，她的房间里经常出现神秘的重力异常现象，书架上的书会无故掉落，灰尘在地板上排列成奇怪的图案。 库珀和墨菲破解了这些图案代表的坐标，找到了隐藏的NASA秘密基地。在那里，库珀的老教授布兰德告诉他，土星附近出现了一个虫洞，可能是外星文明留下的通道，通向另一个星系。十年前，NASA已派出十二名先驱者通过虫洞探索可能适合人类居住的行星，其中三颗行星传回了正面信号。现在需要有经验的宇航员前去调查这些行星，找到人类的新家园。布兰德提出了两套方案：A计划是找到适居行星后将地球人类转移过去，B计划是携带受精卵在新星球上繁衍人类文明。 库珀面临艰难抉择，离开会让女儿伤心，但不去人类将无未来。最终他加入了由布兰德女儿艾米莉亚、物理学家罗米利和地质学家多伊尔组成的探索团队，驾驶"永恒号"飞船穿越虫洞。飞船首先抵达米勒星球，这里距离一个超大质量黑洞"卡冈图雅"很近，强大的引力导致时间严重扭曲，星球上每一小时等于地球上七年。团队降落后发现米勒博士早已遇难，巨大的潮汐波正在逼近。撤离过程中多伊尔牺牲，他们在星球上仅停留三小时，返回飞船时地球已过去二十三年。 库珀看到了已成年的儿女发来的影像信息，儿子汤姆继续在农场挣扎求存，女儿墨菲成为NASA物理学家，正在协助布兰德教授破解重力方程以实现A计划。燃料不足让他们只能再访问一颗行星，团队在曼恩星球和埃德蒙兹星球之间产生分歧。最终他们选择了曼恩星球，因为曼恩博士持续发送生存信号。然而唤醒曼恩后发现，他多年孤独已导致精神失常，为了被救而伪造了数据。曼恩试图夺取飞船独自逃生，在混战中罗米利被炸死，库珀和艾米莉亚险些丧命太空。 库珀重新夺回飞船控制权，但燃料已所剩无几。他决定利用黑洞引力弹弓加速前往最后的埃德蒙兹星球，但必须抛弃部分飞船减轻质量。库珀驾驶登陆舱与机器人塔斯分离，让艾米莉亚能够到达目的地。库珀和塔斯坠入黑洞，却发现黑洞内部是一个五维超立方体空间，这里时间成为可视化的物理维度。 库珀意识到，制造虫洞和重力异常的并非外星人，而是未来已掌握高维空间技术的人类自己。他可以观察到墨菲房间在不同时间的景象，那些书本掉落和灰尘图案正是他从五维空间向三维世界施加的重力影响。库珀通过墨菲手表的秒针，用摩斯密码向过去传递了塔斯从黑洞中心获取的量子数据。这些数据正是破解重力方程的关键。 超立方体空间崩溃后，库珀被弹射到土星轨道附近，被巡逻飞船救起。此时他已在太空漂流九十一年，但相对论效应让他只老了几岁。醒来后他得知，墨菲利用他传递的数据完成了重力方程，人类建造了巨大的空间站移民太空，这座以墨菲命名的空间站正环绕土星运转。 库珀与一百二十四岁高龄的墨菲重逢，墨菲已儿孙满堂。她告诉父亲不必陪伴自己走完生命最后时光，应该去寻找独自在埃德蒙兹星球等待的艾米莉亚。库珀偷了一艘小型飞船，带着修复的机器人塔斯，启程前往星系深处，去完成最后的诺言，也去见证人类在新世界扎根的那一刻。