Desde a "Aurora do Homem" (a pré-história), um misterioso monolito negro parece emitir sinais de outra civilização interferindo no nosso planeta. Quatro milhões de anos depois, no século XXI, uma equipe de astronautas liderados pelo experiente David Bowman (Keir Dullea) e Frank Poole (Gary Lockwood) é enviada à Júpiter para investigar o enigmático monolito na nave Discovery, totalmente controlada pelo computador HAL 9000. Entretanto, no meio da viagem HAL entra em pane e tenta assumir o controle da nave, eliminando um a um os tripulantes.

Roy McBride (Brad Pitt) é um engenheiro espacial que decide empreender a maior jornada de sua vida: viajar para o espaço, cruzar a galáxia e tentar descobrir o que aconteceu com seu pai, um astronauta que se perdeu há vinte anos no caminho para Netuno.

O astronauta Mark Watney (Matt Damon) é enviado a uma missão em Marte. Após uma severa tempestade ele é dado como morto, abandonado pelos colegas e acorda sozinho no misterioso planeta com escassos suprimentos, sem saber como reencontrar os companheiros ou retornar à Terra.

Matt Kowalski (George Clooney) é um astronauta experiente que está em missão de conserto ao telescópio Hubble juntamente com a doutora Ryan Stone (Sandra Bullock). Ambos são surpreendidos por uma chuva de destroços decorrente da destruição de um satélite por um míssil russo, que faz com que sejam jogados no espaço sideral. Sem qualquer apoio da base terrestre da NASA, eles precisam encontrar um meio de sobreviver em meio a um ambiente completamente inóspito para a vida humana.

O famoso psiquiatra Kris Kelvin (Donatas Banionis) vai à estação espacial Solaris com uma importante missão científica: decidir se deve o trabalho realizado de investigação sobre um misterioso planeta deve continuar. Ao chegar à estação Kelvin já é surpreendido pelo suicídio de um dos integrantes da tripulação, sendo que outros dois, Snaut (Jüri Järvet) e Sartorius (Anatoli Solonitsyn), estão à beira da loucura. Com o tempo o próprio Kelvin passa a se sentir estranho, tendo transes oníricos onde vê sua ex-esposa Hari (Natalya Bondarchuk), falecida há anos.

A evolução de um obscuro projeto militar norte-americano até sua transformação na entidade hoje conhecida como NASA. De Chuck Yeager (Sam Shepard), primeiro homem a quebrar a barreira do som, até o audacioso programa Mercury, que buscava formar os primeiros astronautas do país, os sete eleitos Alan Shepard (Scott Glenn), John Glenn (Ed Harris), Gordon Cooper (Dennis Quaid), Gus Grissom (Fred Ward), Scott Carpenter (Charles Frank), Wally Schirra (Lance Henriksen) e Deke Slayton (Scott Paulin).

Três astronautas americanos a caminho de uma missão na Lua sobrevivem à uma explosão, mas precisam retornar rapidamente à Terra para poderem sobreviver, pois correm o risco de ficarem sem oxigênio. Além disto existe o risco de, mesmo retornando, a nave ficar seriamente danificada, por não suportar o imenso calor na reentrada da órbita terrestre.

Em O Primeiro Homem, acompanhamos a vida do astronauta norte-americano Neil Armstrong (Ryan Gosling) e sua jornada para se tornar o primeiro homem a andar na Lua. Os sacrifícios feitos por Neil e toda uma nação durante uma das mais perigosas missões da história das viagens espaciais.

Sam Bell (Sam Rockwell) é um astronauta que cumpre uma missão de três anos na Lua, em uma base instalada pela Lunar Industries. Sua função é extrair do solo e enviar regularmente à Terra uma substância que ajuda a renovar a energia do planeta. Sam tem apenas a companhia do computador GERTY (Kevin Spacey) e está ansioso para completar o trabalho, o que ocorrerá dentro de duas semanas, quando um novo funcionário virá substituí-lo. Só que, repentinamente, Sam começa a delirar e sofre um acidente. A partir de então ele encontra um clone seu dentro da estação lunar.