Sam Bell (Sam Rockwell) é um astronauta que cumpre uma missão de três anos na Lua, em uma base instalada pela Lunar Industries. Sua função é extrair do solo e enviar regularmente à Terra uma substância que ajuda a renovar a energia do planeta. Sam tem apenas a companhia do computador GERTY (Kevin Spacey) e está ansioso para completar o trabalho, o que ocorrerá dentro de duas semanas, quando um novo funcionário virá substituí-lo. Só que, repentinamente, Sam começa a delirar e sofre um acidente. A partir de então ele encontra um clone seu dentro da estação lunar.