En mission à bord de la navette Explorer, l'astronaute Matt Kowalski et le docteur Ryan Stone, experte en ingénierie médicale, sortent de l'appareil afin d'effectuer des réparations sur le télescope Hubble. Kowalski est un spationaute chevronné ; Stone, elle, effectue sa première mission dans l'espace. Bientôt, l'un et l'autre sont pris dans une gigantesque tempête de débris provenant de la destruction d'un satellite. Dans l'impossibilité de regagner Explorer, ils partent à la dérive. À 600 km au-dessus de la Terre, ils n'ont plus aucun contact avec Houston et le niveau de leur oxygène baisse vertigineusement.