西元2035年，美國國家航空暨太空總署（NASA）的戰神三號（Ares 3）載人登陸火星，任務原定全長31火星日，因此攜帶足夠6人居住的物資。但在第18火星日（Sol 18）遇上時速175公里的沙塵暴而被迫中斷任務，所有人登上火星接駁小艇（MAV）離開。但在撤離時，太空人兼植物學家馬克·瓦特尼不幸被吹飛的天線打中失去蹤影。任務指揮官瑪麗莎·路易斯因上升載具過於傾斜而放棄搜索瓦特尼，下令太空艙發射升空，而瓦特尼也因生命特徵探測儀故障而被認定已經死亡。在組員離開後，瓦特尼被太空衣的警報聲吵醒，並發現自己被遺留在火星。

瓦特尼醒來後隨即發現太空衣被天線刺穿，幸好天線和流出的血把破洞封上。瓦特尼立即衝回居住艙（Habitat Module）處理傷口。並開始點算物資，發現剩下的物資只能支持他一個人過309火星日，而下一次任務組員到火星需要4年時間。瓦特尼便立刻尋找其他物資並發現一個原定感恩節打開的箱子內塞滿了馬鈴薯。所幸瓦特尼是一名植物學家，瓦特尼決定用火星的土壤在居住艙種植馬鈴薯來續命。瓦特尼使用登陸艙留下的下降段用剩的聯氨來製造水（N2H4+ O2 → 2H2O + N2↑）來灌溉，並使用自己和其他組員的排遺物作肥料，成功種出馬鈴薯幼苗。

在第54火星日，NASA的地面人員透過衛星圖片發現戰神三號營區的火星探測車被移動過，太陽能板也被清潔乾淨，從而得知瓦特尼仍然在世，一邊繼續透過火星軌道衛星觀察，一邊籌備營救行動。之後，控制中心也觀察到瓦特尼駕駛火星探測車駛離營區，在計算其路線後確定瓦特尼正前往1997年所發射，因爲小故障而失聯的拓荒者號降落地點。一小隊人立即前往噴氣推進實驗室尋找拓荒者號的複製品，併成功收到瓦特尼重啓拓荒者號傳送的訊息。

最初雙方只能透過拓荒者號的旋轉攝影機使用簡單的是非題對話，傳送對話更需約32分鐘，但瓦特尼覺得需要更復雜的天文工程對話，而26個字母加上問號會使得鏡頭旋轉角度太小(13度)造成辨識困擾，便從—電子技術人員貝絲·喬韓森的筆電找到16進位的標準代碼表，開始跟地面控制中心進行更復雜的對話，並根據地面控制中心的指引駭進火星探測車的電腦，令NASA透過拓荒者號連上探測車的頻段，從而能用文字進行對話。

過了一段時間，在第134火星日，當瓦特尼在返回營區時，氣閘艙帆布因長期受壓而破裂，導致居住艙發生爆炸性失壓，全部正在種植的馬鈴薯因暴露在火星的低溫低壓環境而死亡，且無法再次復播種植，瓦特尼只能倚靠之前收成的馬鈴薯生存下去，並將於600天左右斷糧。太空總署也決定發射搭載愛麗絲號（Iris）補給艇的擎天神5號運載火箭來把瓦特尼的任務時長拉長到接近900火星日，讓瓦特尼能撐到戰神四號任務抵達火星。但因時間緊迫而沒有進行全面檢查，因此忽略了這次補給是運送蛋白質塊，而非食物的問題。因此在發射時，產生的超重令蛋白質塊液化，導致愛麗絲號重量不均，令火箭在發射後約45秒因異常震動於半空爆炸解體。

此時，中國國家航天局伸出了援手，向NASA表示中國的太陽神火箭能協助美國把愛麗絲號送到火星，NASA後來總結出兩份計劃：一是把愛麗絲號直接用太陽神送到火星，讓瓦特尼等到戰神四號的組員抵達；二是把愛麗絲號送到正在減速的賀密斯號（Hermes），並讓其加速，進行重力助推前往火星，把瓦特尼接走。NASA選擇了第一個，但飛行總監米區祕密地把計劃二的內容告知戰神三號的組員，並在全員贊成的情況下強行修改航道，迫使他們發射火箭，把愛麗絲號送上來。

NASA把計劃二告知瓦特尼，並指示他再次改裝火星探測車，前往預定戰神四號使用的接駁小艇的所在地。但噴氣推進實驗室的研究員發現：因賀密斯號進行重力助推後速度較快，只能進入較高軌道，而上升載具要載着一個人到達這個高度，必需減掉五千公斤的質量。因此，他們指示瓦特尼到達後把火箭的鼻錐、窗戶、控制檯、座椅等等拆掉，僅剩下一張椅子和船殼，並從賀密斯號遙控升空。

並在全球注目下，在戰神三號的駕駛員瑞克·馬提尼茲的控制下發射升空。但接駁小艇的高度不足，無法與賀密斯號會合。戰神三號的組員們商量後決定用姿態控制火箭下降高度，並引爆氣壓艙來減速，最終與接駁小艇的距離縮小爲312米，相對速度降至每秒5米。而瓦特尼也刺穿手套令自己加速將距離縮短，並由指揮官露易斯成功抓住瓦特尼，把他帶上賀密斯號，返回地球。而全世界看着電視轉播的民衆也歡聲雷動。

最後，瓦特尼退出了太空人行列，轉爲太空人培訓計劃的導師，並在第一天向學生分享了他在火星生存的經歷。而中美兩國也以此爲契機召開載人登火合作，後來發射的戰神五號火箭中，加入了中國太空人的身影。