Sam Bell est l'unique employé d'une station lunaire appartenant à une compagnie chargée d'extraire un combustible, l'hélium-3, et où son seul interlocuteur est l'ordinateur Gerty. À la suite d'un bris technique toutefois, son contact avec la Terre, où l'attendent son épouse et leur fillette, est grandement compromis. Alors que s'achève son contrat de trois ans, Sam commence à éprouver divers problèmes de santé, dont des migraines et des hallucinations, ce qui provoque un grave accident près d'une plate-forme de forage. Alors qu'il tente de comprendre comment il a pu avoir la vie sauve, l'astronaute découvre qu'un clone de lui, mais en plus jeune, habite les lieux et qu'une équipe de sauvetage s'apprête à venir à sa rescousse.