세계 각국의 정부와 경제가 완전히 붕괴된 미래가 다가온다. 지난 20세기에 범한 잘못이 전 세계적인 식량 부족을 불러왔고, NASA도 해체되었다. 나사 소속 우주비행사였던 쿠퍼는 지구에 몰아친 식량난으로 옥수수나 키우며 살고 있다. 거센 황사가 몰아친 어느 날 알 수 없는 힘에 이끌려 딸과 함께 도착한 곳은 인류가 이주할 행성을 찾는 나사의 비밀본부. 이 때 시공간에 불가사의한 틈이 열리고, 이 곳을 탐험해 인류를 구해야 하는 임무를 위해 쿠퍼는 만류하는 딸을 뒤로한 채 우주선에 탑승하는데...
가까운 미래, 지구는 에너지 고갈 문제를 해결하기 위해 머나먼 행성 판도라에서 대체 자원을 채굴하기 시작한다. 하지만 판도라의 독성을 지닌 대기로 인해 자원 획득에 어려움을 겪게 된 인류는 판도라의 토착민 나비의 외형에 인간의 의식을 주입, 원격 조종이 가능한 새로운 생명체를 탄생시키는 프로그램을 개발한다. 한편 하반신이 마비된 전직 해병대원 제이크 설리는 아바타 프로그램에 참가할 것을 제안받는다. 그 곳에서 자신의 아바타를 통해 자유롭게 걸을 수 있게 된 제이크는 자원 채굴을 막으려는 나비의 무리에 침투하라는 임무를 부여받는데...
2142년, 부모 세대가 맞닥뜨렸던 암울한 미래를 피하려는 청년들이 더 나은 삶을 찾기 위해 식민지를 떠날 계획을 세운다. 하지만 버려진 우주 기지 로물루스에 도착한 이들은 악몽과도 같은 에이리언의 무자비한 공격에 쫓기기 시작한다. 그 누구도 그들의 절규를 들을 수 없는 우주 한가운데, 생존을 위한 치열한 사투를 벌여야 하는데...
인류가 점차 지능이 떨어지게 되자, 주인공 바우어와 리타는 군 프로젝트인 동면에 들어가게 되지고 프로젝트를 주관한 장군이 갑자기 불명예스럽게 퇴직을 당하게 되어 1년을 예상했던 동면이 수백년 흐르게 되고 마는데...
120년 후의 개척 행성으로 떠나는 초호화 우주선 아발론 호. 여기엔 새로운 삶을 꿈꾸는 5,258명의 승객이 타고 있다. 그러나 알 수 없는 이유로 인해 짐 프레스턴과 오로라 레인은 90년이나 일찍 동면 상태에서 깨어나게 된다. 서서히 서로를 의지하게 되는 두 사람은 우주선에 치명적인 결함이 있다는 사실을 발견하게 되고, 마침내 그들이 남들보다 먼저 깨어난 이유를 깨닫게 되는데…
