未知の原因によって太陽エネルギーが奪われる異常事態が発生。このままでは地球の気温は低下し人類滅亡の危機が迫る中、唯一の希望は11.9光年先にあるただひとつ無事な星に向かいその謎を解明することだった。そんな“イチかバチか”のミッション＜プロジェクト・ヘイル・メアリー＞のために、宇宙への片道切符を握らされたのは“しがない中学校の科学教師”グレース（ライアン・ゴズリング）。