Guru sains Ryland Grace terbangun sendirian di sebuah pesawat luar angkasa, jauh dari Bumi, tanpa ingatan tentang siapa dirinya atau alasan ia berada di sana. Saat ingatannya perlahan kembali, ia menyadari bahwa nasib umat manusia bergantung pada misinya untuk mengungkap misteri yang membuat Matahari perlahan mati dan menyelamatkan Bumi dari kepunahan.
Film dibuka di sebuah pesawat luar angkasa. Seorang pria bernama Ryland Grace terbangun dari koma dalam keadaan bingung dan lemah. Tubuhnya sulit digerakkan, pikirannya kosong, dan ia sama sekali tidak ingat bagaimana bisa berada di sana.
Saat berusaha memahami situasi, Grace menemukan kenyataan mengerikan: dua orang kru lainnya, Kapten Yao Li-Jae dan insinyur Olesya Ilyukhina, sudah meninggal. Ia kini sendirian di kapal itu. Ketika melihat ke luar jendela, Grace sadar bahwa ia berada sangat jauh dari Bumi, di sebuah sistem bintang asing. Dari perhitungannya, perjalanan pulang ke Bumi akan memakan waktu sekitar tiga belas tahun.
Sedikit demi sedikit, potongan ingatan Grace mulai kembali.
Dulu, ia hanyalah seorang guru SMP. Di kelas, ia pernah menjelaskan kepada murid-muridnya tentang fenomena aneh bernama Petrova Line, sebuah garis inframerah yang membentang dari Matahari menuju Venus. Dari garis itulah muncul organisme misterius bernama Astrophage. Organisme itu menyerap energi Matahari, membuat cahaya dan panasnya perlahan melemah. Jika tidak dihentikan, Bumi akan terus mendingin sampai mencapai tingkat yang berbahaya bagi kehidupan.
Meski ancaman itu sangat serius, Grace berusaha menenangkan murid-muridnya. Ia mengatakan bahwa orang-orang terpintar di dunia sedang bekerja untuk menemukan solusinya.
Tak lama kemudian, seorang agen pemerintah bernama Eva Stratt datang menemui Grace. Stratt tertarik pada penelitian Grace tentang Petrova Line dan membawanya untuk meneliti sampel Astrophage yang telah berhasil dikumpulkan. Awalnya, eksperimen Grace berkali-kali gagal. Namun ia akhirnya menemukan bahwa Astrophage bukan sekadar partikel atau bahan asing biasa, melainkan sel hidup.
Grace juga menyimpulkan bahwa Astrophage berasal dari Venus. Organisme itu memanfaatkan karbon dioksida di atmosfer Venus dan menyerap energi dari Matahari. Penemuan itu sangat penting, karena selain menjadi ancaman besar, Astrophage ternyata juga bisa dipakai sebagai sumber bahan bakar yang luar biasa kuat.
Stratt kemudian membawa Grace ke hadapan para ilmuwan lain dan memperkenalkannya pada Project Hail Mary. Proyek ini adalah misi penyelamatan Bumi. Masalahnya, banyak bintang lain di alam semesta juga terkena dampak Astrophage. Namun ada satu bintang yang tetap stabil dan tidak ikut meredup: Tau Ceti.
Karena itu, misi Hail Mary adalah pergi ke sistem Tau Ceti, mencari tahu kenapa bintang itu tidak terpengaruh Astrophage, lalu mengirim solusinya kembali ke Bumi. Namun perjalanan itu hampir mustahil untuk pulang. Bagi para kru, misi ini pada dasarnya adalah misi bunuh diri.
Di masa kini, Grace yang sudah mulai memahami posisinya memberikan penghormatan terakhir kepada Yao dan Ilyukhina. Dengan berat hati, ia melepas jasad mereka ke luar angkasa. Setelah itu, ia mulai mencoba mengendalikan kapal dan mendekati Tau Ceti.
Saat sampai cukup dekat, Grace melihat Petrova Line di sistem bintang tersebut. Namun ia juga melihat sesuatu yang jauh lebih mengejutkan: sebuah pesawat alien raksasa berada di dekat kapalnya.
Pesawat asing itu mengirim sebuah kontainer ke arah kapal Grace. Setelah memastikan benda itu tidak berbahaya, Grace membawanya masuk. Di dalamnya, ia menemukan semacam model peta sistem bintang. Dari situ, Grace menyimpulkan bahwa makhluk yang mengirimnya berasal dari sistem 40 Eridani.
Tak lama kemudian, pesawat alien itu membuat terowongan dari material bernama xenonite, sehingga Grace bisa menyeberang dengan pakaian luar angkasanya. Di dalam kapal asing itu, Grace bertemu makhluk alien menyerupai batu. Makhluk itu menirukan gerakan Grace dan bahkan membuat figur kecil yang menggambarkan Grace saat berhasil menangkap kontainer sebelumnya.
Grace kemudian menamai alien itu Rocky.
Rocky berasal dari spesies yang melihat menggunakan ekolokasi. Untuk berkomunikasi, Grace membuat alat penerjemah suara yang mengubah bahasa Rocky menjadi bahasa Inggris. Dari percakapan mereka, Grace mengetahui bahwa Rocky juga sedang menjalankan misi penyelamatan untuk planetnya. Sama seperti Grace, Rocky adalah satu-satunya anggota kru yang masih hidup. Dua puluh dua rekannya telah meninggal.
Kesamaan nasib itu membuat keduanya cepat saling memahami. Grace dan Rocky akhirnya sepakat bekerja sama untuk menyelamatkan bintang dan dunia mereka masing-masing.
Dalam kilas balik, terlihat Stratt memperkenalkan Grace kepada kru misi Hail Mary: Kapten Yao, insinyur Ilyukhina, dan ilmuwan utama Dr. Martin DuBois, beserta para kru cadangan. Mereka semua sadar bahwa kemungkinan besar mereka tidak akan kembali hidup-hidup. Namun mereka tetap siap menjalankan misi itu.
Grace juga menyaksikan kekuatan mesin Hail Mary yang digerakkan oleh Astrophage. Energinya begitu besar hingga mampu melelehkan berton-ton logam. Meski kagum, Grace merasa ia tidak seberani orang-orang itu. Ia mengatakan kepada Yao bahwa dirinya tidak punya “gen keberanian”. Yao menjawab bahwa keberanian bukan soal gen. Seseorang hanya perlu menemukan siapa atau apa yang ingin ia lindungi.
Di masa kini, Grace membawa Rocky ke kapalnya. Rocky memakai pakaian khusus agar bisa bertahan di atmosfer manusia. Sejak itu, Grace mulai mendokumentasikan kehidupan barunya bersama Rocky, yang ia anggap sebagai “teman sekamar” aneh namun menyenangkan.
Mereka bekerja sama mengumpulkan sampel Astrophage dan mencari tahu kenapa Tau Ceti tidak ikut meredup. Selama bekerja, hubungan mereka semakin dekat. Grace mulai memperkenalkan hal-hal dari budaya Bumi kepada Rocky. Sebaliknya, Rocky juga menceritakan kehidupannya di planet asalnya.
Dari sana, Grace mulai terbuka. Ia mengakui bahwa di Bumi, ia sebenarnya tidak memiliki banyak orang dekat. Ia hidup cukup kesepian. Rocky berbeda. Ia memiliki pasangan di planet asalnya dan punya alasan personal yang kuat untuk pulang. Kilas balik juga memperlihatkan betapa Grace dulu merasa terasing di antara kru Hail Mary, karena hampir semua orang memiliki pasangan atau keluarga yang menunggu mereka.
Grace dan Rocky kemudian mendekati Tau Ceti dan memasuki Petrova Line. Mereka menuju planet Tau Ceti-e, yang kemudian mereka beri nama Adrian, mengikuti tema nama “Rocky”. Di planet itu, Grace menemukan organisme kecil yang memakan Astrophage. Ia menamai organisme tersebut Taumoeba.
Penemuan Taumoeba menjadi kunci besar. Jika makhluk ini bisa dikembangbiakkan dan dikirim ke Bumi, maka Astrophage yang meredupkan Matahari bisa dihentikan.
Namun masalahnya, Grace tidak punya cukup bahan bakar untuk pulang dengan mudah. Ketika Grace mengatakan bahwa kemungkinan ia tidak akan bisa kembali ke Bumi, Rocky menawarkan sebagian Astrophage miliknya agar Grace memiliki cukup bahan bakar. Bagi Rocky, itu berarti perjalanannya sendiri akan jauh lebih lambat dan lebih berisiko. Pengorbanan itu membuat Grace sangat tersentuh. Untuk pertama kalinya, ia mengenalkan Rocky pada konsep pelukan.
Dalam kilas balik lain, Grace dan Stratt sedang melihat kapal Hail Mary sebelum misi dimulai. Namun sebuah ledakan besar terjadi akibat kesalahan penanganan Astrophage. Ledakan itu menewaskan Dr. DuBois dan para kru cadangan. Dengan kandidat ilmuwan yang tersisa sangat terbatas, Stratt meminta Grace menggantikan mereka dalam misi.
Grace menolak karena merasa tidak sanggup. Ia tahu misi itu penting, tetapi ia tidak bisa menerima kenyataan bahwa dirinya harus pergi tanpa harapan pulang. Stratt memberinya waktu untuk berpikir, tetapi situasi Bumi semakin mendesak.
Di masa kini, Grace dan Rocky mencoba mengambil sampel Taumoeba dari atmosfer Adrian. Namun saat proses berlangsung, terjadi kebocoran bahan bakar yang merusak Hail Mary. Grace berusaha mengendalikan situasi, tetapi ia terbentur keras ke panel kontrol dan pingsan.
Melihat Grace dalam bahaya, Rocky keluar dari pakaian pelindungnya demi menyelamatkannya. Tindakan itu membuat Rocky terluka parah karena tubuhnya tidak cocok dengan atmosfer kapal manusia.
Ketika Grace sadar, ia menemukan Rocky dalam kondisi sangat buruk. Grace langsung membawa Rocky ke tempat yang bisa menjaga suhu tubuhnya agar ia dapat pulih. Sambil menunggu Rocky sadar, Grace bekerja keras membiakkan Taumoeba. Ia harus memastikan organisme itu cukup kuat untuk memakan Astrophage, tetapi tetap bisa dikendalikan.
Akhirnya Rocky sadar. Keduanya merayakan keberhasilan mereka. Mereka telah menemukan solusi yang bisa menyelamatkan dua peradaban. Namun keberhasilan itu juga membawa mereka pada momen yang berat: mereka harus berpisah. Grace harus membawa Taumoeba ke arah Bumi, sementara Rocky harus kembali ke Erid, planet asalnya.
Mereka sama-sama tahu perpisahan itu sulit. Persahabatan mereka terbentuk dari rasa sepi, perjuangan, dan kebutuhan untuk bertahan hidup. Sebelum berpisah, mereka saling mengakui bahwa mereka benar-benar sahabat.
Kilas balik terakhir mengungkap kebenaran yang selama ini hilang dari ingatan Grace. Ternyata Grace sebenarnya sudah memberi keputusan kepada Stratt: ia tidak mau ikut misi Hail Mary. Meski memahami besarnya ancaman bagi Bumi, ia tidak sanggup mengorbankan dirinya.
Namun Stratt tidak punya pilihan lain. Demi menyelamatkan umat manusia, ia membius Grace dan mengirimnya ke Hail Mary dalam keadaan tidak sadar. Itulah sebabnya Grace terbangun di kapal tanpa ingatan tentang bagaimana ia bisa berada di sana.
Dalam perjalanan kembali ke Bumi, Grace menemukan masalah baru. Taumoeba mulai memakan wadah xenonite dan juga Astrophage di kapalnya. Grace berhasil mengendalikan situasi di Hail Mary, tetapi kemudian ia menyadari sesuatu yang mengerikan: kapal Rocky terbuat sepenuhnya dari xenonite.
Artinya, jika Taumoeba sampai menyebar di kapal Rocky, organisme itu akan menghancurkan kapalnya. Jika Rocky tidak mati karena kapalnya rusak, ia kemungkinan besar akan tewas akibat paparan radiasi ekstrem.
Grace berada di titik pilihan paling sulit. Ia hanya punya cukup bahan bakar untuk satu keputusan: pulang ke Bumi, atau menyelamatkan Rocky.
Kali ini, Grace memilih untuk berani.
Ia mengirim probe berisi Taumoeba ke Bumi agar manusia tetap memiliki kesempatan untuk menyelamatkan Matahari. Setelah itu, ia membelokkan arah kapalnya untuk menyusul Rocky. Grace memilih menyelamatkan sahabatnya, meski itu berarti ia mungkin tidak akan pernah pulang.
Probe yang dikirim Grace akhirnya berhasil mendarat di Bumi. Stratt kemudian terlihat meninjau catatan perjalanan Grace. Dari catatan itu, manusia mengetahui apa yang telah terjadi dan bagaimana Grace berhasil menemukan solusi untuk krisis Astrophage.
Sementara itu, Grace dan Rocky berhasil tiba di Erid, planet asal Rocky. Para Eridian membangun sebuah biodome khusus agar Grace bisa hidup di lingkungan yang cocok untuk manusia. Di sana, Grace kembali menjadi dirinya yang dulu: seorang guru. Ia mengajar anak-anak Eridian dengan cara yang hangat dan penuh rasa ingin tahu, sama seperti saat ia mengajar di Bumi.
Rocky kemudian memberi tahu Grace bahwa para ilmuwan Eridian telah menemukan cara agar Grace bisa kembali ke Bumi. Namun Grace tidak langsung mengambil keputusan. Setelah semua yang ia alami, Erid tidak lagi terasa asing sepenuhnya. Ia telah menemukan sahabat, tujuan, dan kehidupan baru.
Untuk saat itu, Grace memilih memikirkannya terlebih dahulu.
