Действие фильма происходит в будущем. Сэм Белл — астронавт-контрактник, заканчивает трёхлетнюю одиночную вахту на лунном горнодобывающем комплексе компании «Лунар». Комплекс обеспечивает добычу изотопа гелий-3, с помощью которого удалось остановить катастрофический энергетический кризис на Земле. Сэм живёт на лунной базе «Саранг», которая расположена на обратной стороне Луны и на которой кроме него есть только робот по имени ГЕРТИ (голос Кевина Спейси). Прямой связи с Землёй у базы нет из-за повреждения лунного ретранслирующего спутника, поэтому обмен сообщениями с Землёй осуществляется через удалённые космические базы с большой задержкой. Время от времени Сэму приходят видеозаписи обращений его жены; на Земле его также ждёт маленькая дочь.
За две недели до окончания трёхлетней вахты Сэм начинает чувствовать неладное. У него начинается расстройство психики, вызванное длительным одиночеством. Когда в очередной раз Сэм отправляется забрать добытый изотоп из работающего добывающего модуля, он видит галлюцинацию, отвлекается и попадает в аварию, столкнувшись с модулем…
Сэм приходит в себя в изоляторе (медицинском отсеке станции), но не помнит о произошедшей аварии. Подсмотрев прямой разговор робота с Землёй, он начинает подозревать, что его обманывают. Обманув ГЕРТИ и отправившись на место аварии, он находит луноход и в нём ещё живого своего абсолютного двойника, который утверждает, что именно он — настоящий Сэм Белл. Каждый из них пытается разобраться в этой непростой ситуации, но отношения у них не ладятся, что вскоре приводит к драке.