讲述在未来时空，地球已经面临着灭亡的威胁，人类需要寻找新的家园以求生存。这时，一位前NASA宇航员库珀（马修·麦康纳饰）被召回NASA，并接到任务前往外太空探索寻找适合人类居住的星球。库珀接受了任务后，与一群宇航员一起乘坐“天涯号”号小组飞船离开地球。
在旅途中，库珀和他的小组遇到了各种挑战和难题。首先，他们需要穿过一个名为米勒星的黑洞，因为这颗星体的引力场非常强大，时间流逝速度变慢，所以获得关键信息的时间变得非常紧迫。接着，他们又来到了一颗海水深不见底并且浓缩了硫酸的星球。由于该星球的重力极强，导致时间流逝变得非常缓慢，库珀的小组在此度过了数十年之久，等待“天涯号”号另外两名宇航员返回，
最终，库珀和小组访问了一个“五维空间”，遇到了一个叫做“他”的未知生物，并且发现“他”其实是未来的人类。这些未来的人类通过五维空间向过去的人类传递信息，帮助他们找到适合人类居住的新星球，并且拯救了地球。
电影《星际穿越》的结局中，布兰德和库珀得知了曼恩欺骗他们的事实，而曼恩在逃跑时还是由于鲁莽行为导致人船共亡，库珀和布兰德成功与空间站对接成功，打算向着第三个星球“艾德蒙斯”，由于飞船燃料的不足，库珀想到了利用黑洞的引力弹弓效应使飞船射向艾德蒙斯星球，但是由于引力效应代价就是将会发生时间压缩。最终计划成功，但是由于船上的补给不够，库珀选择了脱离飞船，让布兰德一人奔向艾德蒙斯，自己则坠入到黑洞中。
进入黑洞后，库珀通过塔斯的介绍得知自己已经来到了一个五维空间，并且在此他可以观察到过去，他也是看到了当初离开家人去实施计划的时候。库珀发现他在五维空间中可以与四维空间的墨菲存在着联系，并且可以传递信息，库珀则通过手表，利用摩斯密码传递给墨菲黑洞的引力数据。
最终墨菲得到了方程式和黑洞数据，完成了科技革命，带领了人们迁移到一个新的宇宙空间站中，在此墨菲活到了100多岁，终于等到了库珀的到来，而墨菲已经子孙满堂，并且告诉库珀，布兰德还活着，让他去寻找她，最终库珀踏上了前往艾德蒙斯星球的路程，而艾德蒙斯星球已经被建立好了基地，并且气候适宜。