未来世界的地球，环境破坏严重，此起彼伏的沙尘暴席卷全球，各种农作物纷纷死去：小麦、秋葵等，只有玉米还在苟延残喘。人民生活困难，政府濒临倒台，因此没有足够的资金投入宇航事业，很多宇航员退役。
美国的一个农场里，下岗宇航员库珀（马修·麦康纳 Matthew McConaughey 饰）和其儿子、女儿、岳父住在一起，种植玉米为生，饱受沙尘暴困扰。
库珀的小女儿墨菲（麦肯吉·弗依 Mackenzie Foy 饰）住在书房里，她老是觉得自己房中有幽灵，但她宇航员爸爸不相信。
这天，库珀带俩孩子去学校，老师请家长了。路上他们成功捕获一架太阳能驱动、飞行10年之久的印度无人机。
在学校，老师告诉库珀，他的儿子学习不行，成绩只有C，考不起大学，只能当农民修地球。他的女儿墨菲虽然很聪明，但是很叛逆，由于政府修改了教科书，说阿波罗登月计划是伪造的，目的是为了骗苏联人搞军备竞赛而破产。但墨菲从书房找到老书，认为是真的，为此与同学们干了几架，是个问题少女。
库珀对此不以为然，老婆是别人的好，娃是自己的好！与老师不欢而散后，他决定带孩子看球赛散心，遇到大型沙尘暴。
赶紧回家关窗收衣服啊，当库珀与墨菲进入书房关窗户时，突然发现地板上黄沙排列出一个二进制图案，他们解码得到一组数据，宇航员库珀立刻判定这是一个GPS地址，于是两人开车去寻找。
半夜他们找到这地方，两人马上被捕了，原来这里是美国航天局（NASA）的秘密基地，在这里他们见到了基地的科学家及其女儿布兰德（安妮海瑟薇饰）。
科学家们给他们讲了一个秘密：在数十年前，在土星附近，NASA发现了一个虫洞（通往外太空、外时空的快捷通道），随后又在太阳系发现了数个这样的虫洞。
地球环境越来越严酷，因此政府从非常紧张的财政拨出一点费用，搞了一个拉撒路Lazarus计划（Lazarus是圣经中的人物，代表置之死地而后生的意思）。并派出12艘飞船，进入这些虫洞，寻找外太空中可供人类居住的行星。
但只有3个地方发回了信号，其余均失联了。NASA现在又做了一艘飞船，但缺一个勇敢的宇航员（有去无回啊），去查看这3个星球的情况。
库珀内心的热血被点燃了，他决定去，但墨菲坚决不想他去。墨菲从小失去母亲，无法接受再失去父亲。
在书房，幽灵又给了一个信号，墨菲破解出莫尔斯电码，意思是“Stay”留下，哭闹着要求库珀留下。但库珀为了全人类的未来，还是毅然走了。
库珀和布兰德、另外2个科学家，及一个幽默能干的，由几个长方体组成的衣柜机器人Tars出发了。
在路上，安妮解释了拉撒路计划有2个方案：A计划，找到合适的星球，把地球人迁徙去。B计划，如果考察队没有能力返回，或地球人无法迁移去，那么用携带的3000个受精卵重建人类。
飞船和轨道站结合后，进入虫洞。
飞船穿越虫洞，虫洞出口靠近一个黑洞，进入到一个未知空间。他们此时要在3个目标中选择一个，首先他们选择的是离黑洞最近的一个行星，于是轨道站仍留太空。飞船进入，降落后他们发现处于浅海上。
他们停下来，步行涉水前往前任宇航员留下的信标。他们找到了信标，并发现了前任宇航员的遗体，还热乎的。
他们需要快去快回，因为地处黑洞附近，行星运行速度极快，根据爱因斯坦相对论，时间变得很慢，当地1小时等于地球7年，因此不能耽误时间。正当安妮准备搬运遗体、仪器时，库珀突然发现远处的山峰不是山，而是高达千米的巨浪，于是叫安妮火速返回。但安妮没听，继续搬运，反而被仪器压住。眼看巨浪逼近，库珀立刻派出机器人去救援，机器人的飞毛腿快速在巨浪到达前1秒钟将安妮接回，但另外一名飞行员就没主角光环保护，被巨浪卷走了。
由于发动机进水，必须等几小时后排干才能重新启动。安妮分析，前任宇航员的遗体为什么还保留完整，可能是因为他几十分钟前才刚被上一个巨浪拍死。
等库珀他们重新点燃，再返回轨道站。 此时已过去23个地球年，空间站留守的黑老大已经冬眠数次，老了很多！
库珀进仓火速打开微信，看到了这23年来的数十条留言：他的儿子毕业了、继承了他的农场，认识女朋友、结婚、生子、岳父去世了，女儿墨菲一开始不理父亲，最后还是上来与库珀留言。墨菲仍然责怪库珀抛下她们不管。
随后几个人开了一个党支部会议，决定下一个目的地，由于在第一个星球耽误时间浪费燃料，他们只有一次选择的机会了。而安妮在上次路线斗争犯了错，这次没有发言权，本来她很想去她前男友所在星球，但库珀毛了决定去另外一个。
一行人来了这个星球，非常寒冷，连天上的云都冻住了。机器人怀疑这里是否适合人类居住。
他们找到并唤醒了前宇航员，这个宇航员说，这个星球空气中遍布氨气，人类只能呼吸几分钟，但下面冻层下，另外一片区域，空气质量相当好。
次日库珀和这个宇航员去探索，在悬崖上，这个宇航员突然将库珀踢下去，幸亏库珀挂在崖壁，坏宇航员就下去踩库珀的手，两人都掉下去了。搏斗中，库珀的面罩被撞碎，无法呼吸，歹徒离开时，告诉库珀 why。原来他一来就检查出这里不适合地球人居住，但他如果发出真实信号，地球人资源有限，没人来救他，他就得变木乃伊。于是他篡改数据，勾引探险队前来。
歹徒离开后，库珀拼死捡回对讲机，通知安妮来救援，随后晕厥。安妮火速开飞船来接应，在最后1秒时救回库珀（互相救了一次，扯平了）。随后开飞船回歹徒建立的基地。
此时基地内，黑老大检查仪器的真实数据，发觉不对，正感到疑惑时，歹徒引爆了基地，安妮开飞船来时，只接到了跑得飞快的机器人Tars。
歹徒开自己的飞船逃跑，两人追赶。歹徒准备连接空间站，那里有燃料和食品等。而聪明的机器人提前与空间站主机通信，关闭了空间站的自动对接系统。歹徒尝试人工对接，空间站就是不开门，反复尝试后，歹徒绝望，强行打开密闭门，空气溢出，造成自己飞船爆炸。空间站炸去了一个仓位，碎片到处飞，左边是主角们的飞船。空间站受到冲击，开始以每分钟60~70次的速度周转，库珀指挥自己飞船以相同角速度旋转，以保持相对同步，随后通过手工方式连接空间站，历尽艰辛终于登陆。
此时，地球上，老科学家快挂了，墨菲成为他的助手，在他下课前，他说出了一个惊人的秘密：其实50年前他就解开了一个重要的方程，发觉人类无法移民到外太空，因为其中一个重要的参数必须在黑洞中提取，而无人能够去。因此那个著名的计划，其实只有B计划可用。
墨菲追问这些事情她爸爸知道吗？老科学家没把这关键的事情说出来就挂了。墨菲非常伤心，认为父亲知道自己根本不能回来，抛弃了家人，于是再给父亲留了言。
在空间站，只剩下2个活人和1个机器人了，燃料不够，回不了地球，最后库珀建议，通过黑洞引力提速，去最后一个星球看看。
在黑洞强大引力下，飞船速度提高到极致，库珀开动主引擎，准备脱离黑洞轨道，机器人主动脱离飞船，减少质量，随后库珀也启动分离，更多减少质量，这样飞船才能斜线提速脱离黑洞。于是安妮一个人去了第三个行星，而机器人和库珀都被黑洞吸入。
这里有个BUG，我们人类所知的现有任何物质，进入黑洞时会被巨大的引力撕裂成一个个电子、中子等基本粒子，而电影这样真实描写的话，就没办法编下面的故事了，所以机器人和库珀完整地进入了黑洞形成的一个五维空间，下面是投影出的一个四维空间。（后续补充：有可能进入特殊黑洞时不被撕裂。第一，当黑洞的质量足够大的时候，黑洞的潮汐力会变得非常小，不会在你进入黑洞之前把你撕碎。第二，黑洞根据它是否带电，是否旋转来划分，可以有四种不同类型的黑洞。我们平常说得最多最简单的黑洞就是不带电不旋转的史瓦西黑洞，这种黑洞进去之后会直奔奇点，后果比较惨。但是，如果把旋转和电荷考虑进去，可能性就比较多了。比如，典型的旋转黑洞，也就是克尔黑洞，它具有里视界和外视界两个视界，在外视界内部居然还有一片正常的空间。你要是有幸掉落到这片正常的区域里，暂时不会觉得有什么不妥，《星际穿越》里的主人公落入黑洞之后没有直接挂掉好像就是这样，当然，如果你运气不好撞到奇点去了就算你倒霉。
地球上，墨菲伤心地回到老屋，劝说哥哥一家人离开，因为沙尘暴太猛了，他们都得了尘肺病。但哥哥很倔强，坚决不走。于是墨菲决定烧了玉米逼他离开（你真狠）。
在离开之前，她再次来到书房，突然发现异像，幽灵又传来信息！
原来库珀进入的5维空间，就是书架背后！进入黑洞后，他回到了20多年前，在墨菲10岁时候。是他一直在给墨菲发信号，告诉她很多事情，并要求墨菲留住当初的自己（BUG之二，他应该而且必须去冒险，才能拯救地球，见下面）。当然大家都知道没有留住。他就这么一直在书架后关了20多年。
在老房面临被毁的紧要关头，他最后一次给墨菲发出信息，把机器人从黑洞中得到的关键数据，全部传给墨菲（库珀的法力不够啊，只能影响手表指针，再修炼一阵，直接驱动铅笔写出来不是更好么）。随后墨菲解开方程式，创立一个叫库珀的巨型圆筒太空空间站，将幸存的地球人迁入，估计应该还在地球周边，筒口对准太阳，以保持和以前差不多的光照。其实这个是以墨菲-库珀的姓来命名的。
在老房被毁后，库珀从5维空间脱出，再次穿越到了大约100年后的土星虫洞附近，被人类发现，送到库珀空间站。
库珀告诉地球人，所有虫洞，不是外星人为了救助地球人设置的，而是未来很多年后的地球人，能够在5维旅行后，前来救援革命老前辈的（BUG之三：为什么你们不直接把虫洞出口开到人类适居的星球？也不给个提示，让主角们好难找）。
在这里，他见到了自己的老房子，被原样重建，作为博物馆纪念。
当然，最重要的是，他见到了自己女儿墨菲，一个124岁的妇女，及一大票后裔。
为了他，墨菲刚从冬眠中苏醒，但库珀还只有30~40岁左右。墨菲告诉他，虽然我刚苏醒，但你干的事情俺全知道了。你现在别耽误时间，快去找安妮吧，她一个人孤零零的在某星球上。
于是库珀晚上偷了一架飞船，去寻找第二春。
在第三星球上，安妮的前男友不知什么原因早挂了（编剧干掉的，否则库珀没戏了，续集没法拍了），实际上这个星球非常适合人类居住，安妮脱下面罩，自由呼吸，而且建立了一个有10栋房子的基地，这会正在和另外一个机器人在耕地呢。
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