Jauh sebelum manusia ada, ada peradaban lain yang sudah berani menjelajah angkasa. Salah satunya adalah di planet Somaris, di mana seorang pilot bernama Mills (Adam Driver) tinggal bersama istrinya (Nika King) dan putri mereka, Nevine (Chloe Coleman). Suatu hari, mereka sedang menikmati waktu bersama di pantai. Mills akan segera berangkat ke misi selama dua tahun bersama orang-orang lain. Misi itu penting untuk mencari obat bagi Nevine yang menderita penyakit langka. Nevine mencoba meniup peluit yang diberikan oleh Mills, tapi dia kesulitan melakukannya. Mills pun mengajari putrinya cara meniup peluit dengan benar.
Mills akhirnya berangkat ke misinya. Dia dan penumpang lainnya terbang melintasi angkasa dengan pesawat canggih. Namun, di tengah perjalanan, mereka terjebak dalam sabuk asteroid yang penuh dengan batu-batu besar dan kecil. Pesawat mereka tidak bisa menghindari tabrakan dengan salah satu pecahan asteroid yang cukup besar. Akibatnya, pesawat mereka rusak parah dan terlempar ke arah sebuah planet biru yang tidak dikenal. Planet itu ternyata adalah Bumi.
Mills berhasil selamat dari kecelakaan itu, tapi dia jatuh di rawa yang becek dan berlumpur. Dia melihat bahwa semua penumpang lainnya sudah tewas karena terlempar dari pesawat atau tertimpa reruntuhan pesawat. Dia mencoba menghubungi pangkalan planet Somaris dengan alat komunikasi darurat yang masih tersisa, tapi tidak ada jawaban sama sekali. Dia pun mulai menjelajahi sekitarnya dan menyadari bahwa udara di planet ini bisa dihirup tanpa masalah.
Saat dia berjalan-jalan, dia menemukan sesuatu yang mengejutkannya. Ada satu korban selamat lainnya dari pesawatnya. Dia adalah seorang gadis kecil (Ariana Greenblatt) yang masih tertidur dalam kapsul cryostasis. Mills pun membawa gadis itu ke tempat yang lebih aman sambil mencari bantuan atau tanda-tanda peradaban lain.
Namun, saat dia berjalan-jalan lagi, dia melihat sesuatu yang lebih mengejutkan lagi. Di lumpur rawa itu ada jejak kaki besar yang berlengkung seperti cakar binatang buas. Jejak kaki itu tampak segar dan baru saja dibuat oleh makhluk apa pun itu.
Keesokan harinya, Mills melanjutkan penjelajahan, namun ia diserang oleh seekor raptor. Ia berhasil membunuhnya setelah berjuang keras. Ia melihat gadis kecil itu bersembunyi dan mengejarnya. Ia meyakinkannya untuk kembali ke pesawat bersamanya.
Mills membawa gadis kecil itu ke pesawat untuk merawat luka-lukanya. Ia mengetahui bahwa namanya adalah Koa dan ia tidak menguasai bahasa Inggris, hanya beberapa kata saja. Mills menyadari bahwa pod yang diperlukan untuk meninggalkan planet ini terperangkap di gunung. Oleh karena itu, ia berbohong kepada Koa dan mengatakan bahwa mereka akan menemukan keluarganya di gunung itu. Sebelum mereka berangkat, Koa menonton video log yang Mills terima dari Nevine selama perjalanannya. Video-video itu awalnya tampak santai, tetapi Koa terlihat marah dan tertekan oleh kepergian ayahnya. Video terakhir yang dilihat Koa adalah Nevine mengatakan bahwa ia sangat lelah. Mills mematikan video itu dan mereka melanjutkan perjalanan.
Dalam perjalanan mereka ke gunung, Koa melihat seekor dinosaurus kecil yang terjebak di lumpur. Awalnya Mills tidak mau membantu, tetapi kemudian ia membantu Koa menarik dinosaurus itu keluar. Namun tidak lama kemudian, sekelompok dinosaurus predator datang dan membunuh dinosaurus kecil itu dengan kejam, membuat Koa menangis. Mills melihat ke langit dan melihat sesuatu yang tampak seperti benda terang yang menuju planet ini.
Saat mereka melanjutkan perjalanan, Mills dan Koa mulai akrab. Mills mulai rileks dan bercanda dengan Koa, bahkan menggendong Koa di punggungnya ketika mereka berjalan lebih jauh. Dia juga mengajari Koa cara bersiul seperti saat dia mencoba mengajari Nevine. Ketika hujan turun, mereka mencari perlindungan di dalam sebuah gua.
Mills menyiapkan monitor keamanan, salah satunya berbunyi saat Koa tidur ketika seekor parasit masuk ke mulutnya. Mills berhasil membunuh parasit itu dan menyelamatkan Koa. Tidak lama kemudian, seekor dinosaurus predator raksasa muncul dan mencoba menyerang mereka. Mills menembaknya, tetapi dinosaurus itu mencoba masuk ke dalam gua. Mills dan Koa turun ke lubang untuk berlindung.
Di dalam lubang itu, Mills mencoba mencari jalan keluar. Koa mengeluarkan sebuah video log dari Nevine yang dia rekam, yang awalnya membuat Mills marah, tetapi kemudian dia memutarnya. Kemudian dia mencoba menggali keluar dari gua setelah meledakkannya dengan bom kecil.
Saat merayap keluar dari sana, Mills dan Koa terpisah. Mills terjebak dalam reruntuhan tanah. Koa membuat suara bersiul yang dia pelajari untuk memberitahu Mills bahwa dia baik-baik saja, dan dia berhasil keluar dari gua. Seekor pterodactyl dan seekor raptor mengejarnya, namun dia berhasil meledakkannya di dalam sebuah batang kayu.
Setelah Mills keluar dari gua, ia melihat benda terang di langit dan menggunakan alatnya untuk memindainya. Komputernya memberitahunya bahwa itu adalah sebuah asteroid yang akan menyebabkan bencana besar di Bumi dalam waktu kurang lebih 12 jam. Mills berjalan sampai ia terperangkap di lumpur hisap. Ia memanggil Koa, yang berhasil mengambil ranting panjang dan menariknya sebelum tenggelam.
Mereka berhasil mencapai puncak gunung. Koa sangat sedih ketika ia menemukan mayat orang tuanya yang sudah tewas di dalam pod kriogenik. Ia marah kepada Mills karena telah berbohong kepadanya. Mills mencoba menghiburnya dengan bercerita bahwa ia mengalami hal yang sama saat Nevine meninggal beberapa bulan lalu saat misi masih berjalan.
Kenangan terakhirnya tentang Nevine adalah Nevine yang kesal kepadanya karena tidak ada di sampingnya. Mills meminta maaf kepada Koa dan berjanji akan membawanya keluar dari sana.
Saat mereka mencoba untuk menjalankan pod pelarian mereka, pesawat jatuh lebih jauh ke bawah gunung dan menjadi rusak. Dua T-Rex mendekati mereka dan mulai menyerang. Mills melawan mereka sementara Koa tetap di dalam pesawat, menunggu pesawat kembali menyala. Mills berhasil membunuh kedua T-Rex itu, tetapi dinosaurus gua yang sebelumnya muncul, kembali untuk menghabisi Mills. Ia berlari menuju semburan air panas dan mencoba membunuhnya. Koa datang untuk membantu dan berhasil menusuk mata binatang itu. Semburan air panas itu kemudian meletup dan melelehkan wajah dinosaurus itu.
Mills dan Koa berhasil kembali ke pesawat tepat waktu. Beberapa detik kemudian, asteroid menghantam dan menghancurkan dinosaurus-dinosaurus di Bumi. Keduanya keluar dari atmosfer Bumi dan menuju ke tujuan yang tidak diketahui.
Credit scene: Bumi tumbuh berkembang kembali seiring waktu hingga mencapai peradaban modern.
