Der Astronaut ist eigentlich gar keiner, sondern ein Lehrer für Naturwissenschaften. Ryland Grace (Ryan Gosling) erwacht trotzdem an Bord eines Raumschiffs – ohne Erinnerungen an sich oder seine Mission. Zwölf Lichtjahre von seinem Heimatplaneten Erde entfernt, setzt er erst nach und nach zusammen, warum er hier ist.

Als einziger Überlebenden seiner Crew ist Ryland auf dem Weg ins Sonnensystem von Tau Ceti. Während auf der Erde die Sonne zu erlöschen droht und eine damit einhergehende Eiszeit die Menschheit auslöschen würde, könnten an seinem Ziel Antworten warten. Die Sonne dort hat die mysteriöse Substanz, die die Katastrophe daheim heraufbeschwört, nämlich aus unerfindlichen Gründen überstanden. Mit Fachwissen und Ideenreichtum verfolgt der einsame Astronaut sein Ziel ... und ist am Ende vielleicht doch nicht so allein, wie er glaubt.