En un futuro cercano, la sonda espacial no tripulada Pilgrim 7 regresa de Marte a la órbita terrestre con una prueba de suelo que potencialmente contiene evidencia de vida extraterrestre. La sonda es capturada y sus muestras son recuperadas por la Estación Espacial Internacional y su tripulación de seis miembros. El astrobiólogo Hugh Derry, quien está paralizado de cintura para abajo, revive una célula dormida de la muestra, que rápidamente se convierte en un organismo multicelular al que los niños estadounidenses llaman "Calvin". Hugh se da cuenta de que las células de Calvin pueden cambiar su especialización, actuando como músculos, neuronas y células fotosensoriales al mismo tiempo.

En la Universidad de Cambridge, el estudiante de astrofísica Stephen Hawking comienza una relación romántica con la estudiante de literatura Jane Hawking. Aunque Stephen destaca en matemáticas y física, sus amigos y profesores están preocupados por su falta de tema de tesis. Después de que Stephen y su profesor Dennis W. Sciama asisten a una conferencia sobre agujeros negros, Stephen especula que los agujeros negros podrían haber sido parte de la creación del universo y decide escribir su tesis sobre el tiempo.

Un niño de 10 años nacido con una deformidad facial que le ha obligado a ser operado 27 veces de cirugía, se esfuerza por encajar en su nuevo colegio.

En 1961, la matemática Katherine Johnson trabaja como una computadora humana en la división segregada por género y raza de la NASA. Katherine, junto a sus colegas científicos e ingenieros y con la ayuda de sus compañeras de trabajo, contribuye en el lanzamiento de una de las operaciones más grandes en la historia: enviar al astronauta John Glenn al espacio.

El joven Ender Wiggin es reclutado por las Fuerzas Armadas Internacionales para liderar la lucha contra los Formics, una raza alienígena insectoide que previamente había intentado invadir la Tierra y había infligido grandes pérdidas a la humanidad.

En 1955, colegiales y padres de todo el país se reúnen para un concurso escolar dedicado a la observación de fenómenos astronómicos (Junior Stargazer Convention) que se lleva a cabo en una ciudad ficticia del desierto estadounidense llamada Asteroid City. La convención se verá espectacularmente interrumpida por eventos que cambian el mundo.

Tras un aterrizaje forzoso en 2022, Adam Reed, un piloto de combate y viajero del tiempo, forma equipo consigo mismo cuando tenía 12 años para salvar el futuro.

Las razas de depredadores y alienígenas en guerra descienden a un pueblo rural de Colorado, donde los residentes desprevenidos deben unirse para tener alguna posibilidad de sobrevivir.

En un sitio de investigación en la Antártida, el descubrimiento de una nave extraterrestre rápidamente se convierte en miedo cuando su experimento libera a un ser misterioso de su prisión congelada. La paranoia se extiende mientras una criatura que puede imitar cualquier cosa que toca enfrenta a los humanos entre sí mientras intenta sobrevivir.