Le docteur Ryan Stone, brillante experte en ingénierie médicale, est novice en matière d'expédition spatiale. Lors de son premier voyage, elle accompagne l'astronaute chevronné Matt Kowalsky. Mais alors qu'ils effectuent une banale sortie dans l'espace, des débris en orbite s'abattent sur leur navette. Ils se retrouvent seuls dans l'espace, à 600 kilomètres de la Terre. Alors que leurs chances de survie sont minimes, ils doivent faire preuve de beaucoup de sang-froid et d'entraide pour tenter de rejoindre le sol. Perdus dans cet univers infini, ils essaient de gérer des réserves d'oxygène qui diminuent peu à peu. Bientôt, une seconde vague de débris met leur vie en danger...