布兰德教授向库珀表示他们于土星星系内发现了一个虫洞，认为这是外星生命体为拯救人类而希望人类能利用它到达另一遥远的星系定居。约十年前，太空总署执行了与自杀任务无异的拉撒路任务（Lazarus Missions），派遣了12名科学家搭载探测器穿越该虫洞各自降落在12个被认为有居住可能性的行星上回报状况[6]，传送回来的资料显示其中一个以黑洞「巨人」（Gargantua）为中心的恆星系统有三颗星球可能适合殖民，并以降落该行星上的科学家名字命名它们：米勒（Miller）、艾德蒙斯（Edmunds）和曼恩（Mann）。布兰德教授希望库珀能担任太空船永续号（Endurance）的驾驶员前往该三个星球，并透露了 A 计画与备用的 B 计画：A 计画是让地球人类能在确定适合移居后迁移；B 计画是带着多个人类胚胎，让人类能在另一星球殖民重新开始，而原本地球上的人类则会灭绝。
由于永续号于米勒星浪费了过多时间，众人认为只能选择前往馀下两个星球的其中一个，并在一番争辩后终决定后前往曼恩星，先行抵达的科学家曼恩于人工睡眠中被众人唤醒，并表示星球的地面适合生存；于地球，墨菲已和库珀离开地球当年一样年纪，并加入了美国太空总署协助布兰德教授；教授被拯救地球人类所需要的重力方程式最后步骤困扰了多年，但在墨菲提出问题盲点时却避而不答，最后在健康恶化濒死之际向墨菲透露他欺骗了大家：他早已破解了方程式，A 计画不可能实现。曼恩亦向众人表示教授在他出发前已解开方程式，但因缺乏黑洞引力奇点的数据而无法完成，因此永续号的真正目的只是实行 B 计画让人类受精胚胎在宜居星球出生而非拯救地球人类。库珀知道真相后表示要返回地球，而曼恩在他协助帮忙寻找营地时破坏了其太空服面罩并表示宜居数据均假，目的是希望太空总署能派人来救他。曼恩在留下待死的库珀离去后乘坐飞艇离开，同时罗米利试图从被曼恩拆解的机器人奇普（KIPP）中取得探测资料，过程中触动了内置陷阱引发爆炸身亡。曼恩打算利用永续号前往艾德蒙斯星完成 B 计画，但在对接不成功下强行打开气闸导致永续号受损；艾米莉亚赶及在库珀窒息前救了他，二人乘坐另一飞艇返回太空，成功对接失控旋转的永续号使它稳定下来。
永续号上的资源已不能让二人返回地球，因此库珀和艾米莉亚决定把永续号驶往「巨人」，射出塔斯让它收集引力奇点的数据，再于接收数据传送回地球后前往艾德蒙斯星实行 B 计画。为减少永续号的质量让艾米莉亚逃生，库珀让自己的飞艇于耗尽燃料后分离并进入黑洞，但在飞艇被毁弹射逃生后，他发现自己身处一个时间并非线性流动的空间：库珀至此明瞭该虫洞由未来超越了时间和空间的人类造成用以拯救古代人类，也是他们眼中的外星生命体。库珀利用塔斯收集的数据，以重力透过墨菲的书架传送给她；库珀正是墨菲小时候所说的鬼魂。成人墨菲于回忆此事时终发现父亲传送的讯息，完成了布兰德教授的方程式，实现了 A 计画所需要的关键技术来操控重力，让人类得以离开地球。
片中出现了三种飞船：徘徊者号、登陆号和耐力号，团队为此研究了国际空间站的纪录片，并参观了太空技术公司。他们先用3 D 打印机打出模型，然后请了一队雕刻家做出各个零件。耐力号环形母舰是由12个隔舱组成的，转速为每分钟5次，以通过向心力产生1 G 的重力。通过气闸系统和弯曲连续的楼层连接，12个隔舱承担了不同的使命：四个发动机隔舱，四个永久性隔舱，以及包括生活区、驾驶舱、低温室与医学实验室和四个将被放在新行星表面的登陆舱。