Was Wissenschaftler, Politiker und Aktivisten seit Jahrzehnten prophezeit haben, ist eingetreten: Die Menschheit steht kurz davor, an einer globalen Nahrungsknappheit zugrunde zu gehen. Ernteausfälle, gigantische Staubstürme und schwindende Ressourcen machen die Erde zunehmend unbewohnbar. Die einzige Hoffnung der Weltbevölkerung liegt in einem geheimen Projekt der US-Regierung, das von dem findigen Wissenschaftler Professor Brand (Michael Caine) geleitet wird. Sein Plan sieht vor, eine Expedition durch ein kürzlich entdecktes Wurmloch nahe Saturn in ein anderes Sternensystem zu schicken, in dem bewohnbare Planeten, Rohstoffe und vor allem Leben vermutet werden. Der Ingenieur und ehemalige NASA-Pilot Cooper (Matthew McConaughey) wird für diese riskante Mission reaktiviert und führt gemeinsam mit Brands Tochter Amelia (Anne Hathaway) die Besatzung des Raumschiffs Endurance an. Die Reise führt die Crew ins vollkommen Ungewisse: Wurmlöcher sind so gut wie unerforscht, niemand kann mit Sicherheit sagen, was sie auf der anderen Seite erwartet, welche physikalischen Gesetze dort gelten oder ob eine Rückkehr überhaupt möglich ist. Für Cooper bedeutet der Aufbruch einen schmerzhaften Abschied von seinen Kindern: Tochter Murph (Mackenzie Foy), die den Verlust ihres Vaters nur schwer verwinden kann, und Sohn Tom (Timothee Chalamet) bleiben gemeinsam mit Schwiegervater Donald (John Lithgow) auf der Erde zurück und müssen auf seine Wiederkehr hoffen, während sich die Zeitrechnung zwischen Weltraum und Heimat auf dramatische Weise verschiebt. Während die Crew von Planet zu Planet reist und dabei extreme Gefahren, wissenschaftliche Rätsel und persönliche Opfer durchsteht, wächst auf der Erde der Druck: Die Menschheit hat nur noch wenig Zeit, um eine Lösung für ihr Überleben zu finden, und Coopers Familie muss lernen, mit der Ungewissheit über sein Schicksal zu leben.