En 2020, la première mission habitée vers la planète Mars est lancée. La sonde Mars I est commandée par Luke Graham (Don Cheadle) avec ses camarades Willis Nicolas (Kavan Smith), Sergueï Kirov (Peter Outerbridge) et Renée Coté (Jill Teed). À l’arrivée, l’équipe découvre une formation cristalline dans une montagne dans la région de Cydonia. Après l’annonce de leur découverte à la Station spatiale, ils se dirigent vers le site pour y faire une analyse plus approfondie.
Une fois là-bas, ils assistent à un bruit étrange, qu’ils supposent être une ingérence de leur rover planétaire. Pendant qu’ils scannent la formation avec un radar, un grand tourbillon surgit et tue Nicholas, Sergei et Renée. Seul Luc survit, après avoir été enterré vivant dans les débris rocheux. Ensuite, un visage humanoïde apparait dans la montagne. Plus tard, Luke réussit à transmettre un SOS à la REMO (Module de ravitaillement) en orbite autour la planète. Après avoir reçu un message brouillé de Luc, un second vaisseau se prépare pour une mission de sauvetage.
L’équipage de cette embarcation comprend le commandant Woody Blake (Tim Robbins), Jim McConnell (Gary Sinise) et des spécialistes de mission Terri Fisher (Connie Nielsen) et Phil Ohlmyer (Jerry O’Connell). Ils sont envoyés pour enquêter sur la tragédie et sauver Luke. Alors que le vaisseau est sur le point de rentrer dans l’orbite de Mars, un essaim de météores rentre en collision avec la coque. L’équipage travaille rapidement pour réparer les dégâts, mais les réservoirs de carburant externes sont insuffisants et l’équipage se voit obligé d’abandonner le vaisseau. Ils mettent leurs combinaisons spatiales afin d’atteindre le module du REMO en orbite autour de la planète. Woody ayant échoué à la manœuvre meurt.
Lorsque le reste du groupe arrive à la surface, ils trouvent Luc encore en vie. Il a construit une serre et a vécu grâce à ses plantations. Il parle à ses sauveteurs de la formation humanoïde. L’équipe découvre que le bruit mystérieux d’un signal radio qu’ils ont détecté correspond en fait à un brin de l’ADN humain. Le premier équipage ayant utilisé le radar plus tôt, on supposent qu’ils ont émis un faux indice qui a déclenché le tourbillon destructeur.
Voulant compléter la séquence, mais inquiet de répéter la réponse précédente envoyées par le radar, l’équipage envoie un rover pour relayer le signal complété.
Suite à la transmission du signal, une ouverture apparaît sur le côté de la structure. Jim, Terri et Luke se dirigent vers elle, tandis que Phil reste au vaisseau pour un retour d’urgence, avec ou sans eux. Les trois astronautes rentrent dans le visage et la porte se referme derrière eux. Ils constatent qu’il y a de l’oxygène à l’intérieur et enlèvent une partie de leur combinaison. Ensuite après quelques pas ils entrent dans une pièce et une saillie en trois dimensions du système solaire apparaît. C’est là le moment le plus émouvant du film : Le trio voit la planète Mars recouverte avec de l’eau, avec un aspect similaire à celui de la terre. La représentation montre alors la planète entrain d’être frappée par un gros astéroïde qui la détruit. Un martien apparaît alors devant le groupe.
La représentation révèle que les martiens ont évacué leur monde dans les vaisseaux spatiaux à la suite de la collision, à destination d’une autre galaxie. Un des vaisseaux se dirige vers la Terre, dépose un brin d’ADN dans un océan qui, à ce moment ne contenait aucune forme de vie. Puis on voit qu’au cours des millions d’années, l’ADN évolue pour donner les poissons, les mammifères, puis les humains qui sont allés sur Mars et qui sont reconnus comme descendants. Une invitation est offerte pour les suivre vers leur nouvelle planète. Jim décide d’accepter l’invitation. Quand le reste de l’équipage s’embarque pour la Terre, on voit le vaisseau extra-terrestre dans lequel se trouve Jim, dépasser le vaisseau de l’équipage à vive allure.