公元2020年，汇聚众多顶尖科学家的世界空间站（World Space Station）启动了载人飞船登陆火星的计划。卢克·格莱姆（Don Cheadle 饰）带领四人小组成功抵达这颗荒无人烟的星球，却在那里目睹了种种诡异景象，队员们也相继离奇死亡。为查明悲剧真相，并寻找可能的幸存者，空间站派出由伍迪·布雷克（蒂姆·罗宾斯 Tim Robbins 饰）率领的救援队赶赴火星。
然而，救援行动同样危机四伏。飞船船体受损、设备接连失灵、燃料不断泄漏，成员相继牺牲，种种打击逐渐消磨着所有人的意志。抵达火星后，布雷克一行终于找到了卢克船长，并意外发现了亿万年前外星人遗留在火星上的遗迹与信息。随着真相逐步揭开，他们意识到，这些来自遥远过去的线索，竟与人类有着千丝万缕的联系……
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