电影《星际穿越》发生在地球未来的一个年代，此时的地球已经黄沙遍野，到处荒芜，而曾经人们赖以生存的粮食小麦、大米等均因为枯萎病而灭绝，目前人类仅仅靠着玉米这种耐抗性较强的粮食生存，这个时候，农民已经成为了最重要的职业，怎么种植出好的粮食成为人类研究的课题。
男主角库珀曾是一位NASA宇航员如今靠着一片玉米地养活家人，并且有一个儿子汤姆和女儿墨菲，一天小镇突然发生沙尘暴，忘了关窗户的墨菲回到家中在房间内出现了奇异的现象，库珀发现房间里的沙子降落到地上后疑似自动形成了一个坐标，库珀和墨菲来到了此地，原来这里正是NASA秘密组织的探究所，专门为人类的生存而研究出路，因为不久后玉米将也会灭绝，人类将无法在地球上继续生存。
老布兰德教授等人告诉库珀，NASA想要库珀这位老宇航员与女儿布兰德、罗米利和多伊尔一起去宇宙寻找人类新住所，而且目前已经发现了木星附近有一个虫洞，而之前NASA已经派出了三个小分队前去探索了虫洞中的三个星球，并且时常有信号回复，证明或许有适合人类居住的星球，而老布兰德教授目前打算实行两个计划：plan A和plan B。
A计划是：NASA将这个探究所建设成一个大型空间站，探究所的人可以通过解决引力方程，成功将这个空间站送上宇宙，离开地球，保证目前人类的存活，之后如果库珀那方有所进展的话，可以将空间站移居过去。
B计划则是：在离开地球前，库珀等人带着之前培育好的受精卵，等到找到合适的星球后，利用这些受精卵可以培育出人类，即使地球上的人类没有成功解开引力方程而灭绝，依靠这些依然可以保证人类的延续。
最终库珀接受了这个决定，当然代价就是可能会花费数年的时间，告别了家人后，库珀等人启程出发，在前往土星的旅途中十分顺利，最终进入到了虫洞之中，但是在选择首先前往哪个星球出现了争议，米勒星球信号最好，但是离黑洞过于近，所以很有可能在这里耗费大量的时间（黑洞通过改变引力最终将时间压缩，所以会出现在米勒星球一个小时相当于地球十年的情况）。
而曼恩博士的星球也有回应，但是距离偏远，而埃德蒙斯星球则距离更远，并且没有什么信号，所以库珀提议，通过绕过黑洞的方法进入米勒星球，这样可以省去在途中因黑洞而消耗的大量时间。计划实施，库珀、布兰德以及多伊尔进入米勒星球后，发现这里除了水什么都没有，时不时还会卷起数百米的波浪，在逃离的途中，多伊尔被浪卷走身亡，库珀和布兰德逃离，但已经耗费了两个小时，相当于地球的23年，之所以会出现这种情况，是因为之前的信号器其实也是在几个小时前登陆的米勒星球，只不过因为时间的压缩，让众人以为，此星球在不断传出信号。
此时的墨菲已经长大成为老布兰德教授的助手，而库珀三人再次来到曼恩博士的星球，但是却被曼恩博士所欺骗，其实该星球也不适合居住，整个星球几乎都是处于冰霜雪地中，但是曼恩博士害怕孤独死亡，所以会一直发射信号给地球，为了逃离这里，曼恩杀死了多米利，与库珀一番争斗后抢走了他们的飞船逃离，但是在与空间站对接过程中失手，船毁人亡，另一边库珀和布兰德赶来的飞船对接成功。
两人打算向着第三个星球“艾德蒙斯”出发，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。