Num mundo futuro, com o rápido avanço da tecnologia, a poluição na Terra torna-se cada vez mais grave. Para combater esta situação, surge a empresa Lunar Energy Industries Ltd., dedicada ao desenvolvimento de energia lunar, recolhendo Hélio-3 para suprir as necessidades energéticas do planeta. A Lunar Energy possui uma base na Lua, onde Sam Bell (interpretado por Sam Rockwell) é o único trabalhador. Contratado como trabalhador independente, Sam vive sozinho na Lua há três anos, acompanhado apenas pelo robot inteligente GERTY (voz de Kevin Spacey). A vida monótona faz com que Sam anseie por regressar a casa, e quando faltam apenas duas semanas para deixar a Lua, ele envolve-se num acidente. Ao acordar, percebe que GERTY parece estar a esconder-lhe algo, e a administração da empresa recusa o seu pedido de regresso. Sam aproveita uma oportunidade para escapar da base e, no local do acidente, descobre outro ele mesmo...