2077年，地球戰勝外星人後，地球已不適居住，人類移居泰坦。Jack Harper（湯姆·克魯斯飾）擔任駐紮在地球49號塔台的維修技師，負責維護抽取海水的機器。Victoria Olsen擔任通訊官及Harper之妻，負責和地球軌道上的「四面體」太空站連絡。兩人來地球前都基於安全因素被洗掉了記憶，但Harper時常夢見自己和一位女子在一橦大樓上。少數存活的外星人則仍不放棄奪掠地球的剩餘資源。
再過兩星期，Harper和Olsen將完成任務，前往泰坦與其他倖存者會合。這一天，外星人透過一橦大樓向太空發出了訊號，訊號內容是一個GPS座標。Harper切斷的訊號，但卻發現這大樓和他夢中的大樓一樣。不久，一架太空船墜毀在該座標，趕到現場的Harper發現太空船上的存活者是地球人，而且理應保護人類的自動防禦機器竟開始殺害存活者。Harper救了一位曾不斷在他夢中出現的女性，Julia Rusakova，並帶回和Olsen同住的49號塔台治療。
隔天Harper和Rusakova試圖取回黑盒子，卻被外星人捕捉。這時Harper才發現所謂的外星人全是人類。這群人類的領袖Malcolm Beech（摩根·費里曼 飾）說自動機的功能就是殺害人類，並要求Harper修複一台自動機，以便將炸彈送至四面體。Harper拒絕，Beech卻送走Harper和Rusakova。Harper帶Rusakova回到大樓，送出訊號請Olsen派直升機前來載送他回到住所，此時他回憶起自己的記憶，Rusakova也確認這不是夢。原來Rusakova和Harper是夫妻，兩人一同出太空任務要觀察外星人的四面體，而Olsen也是船上的一名太空人。
Harper回到塔台後要帶Olsen離開，Olsen不願意接受，向太空站回報兩人無法工作。一台自動機隨即出現並殺了Olsen，在Harper也要被殺害之際Rusakova用直升機的機槍擊毀自動機。太空站的代表要Harper帶Rusakova一同上太空站重新分派任務。兩人離開時被三台自動機追擊，墜落在標示為高放射線的區域，卻沒有死亡。Harper（49號）發現另一個Harper（52號）正要修復一台自動機，兩人打鬥後Harper 49戰勝，但Rusakova被誤擊受傷。Harper 49偽裝Harper 52的身份到52號塔台拿取醫療用品，並在塔台遇上另一位Olsen。Harper回到Rusakova身旁治好其傷口後，帶Rusakova回到自己在一個湖邊偷偷建造的小木屋。
隔天Harper和Rusakova一同前去幫助Beech炸毀四面體。在正要送出改裝過的自動機時，三台自動機進入掩體，殺害了許多人，並造成剛改裝完的自動機損壞。Harper決定和Rusakova一同開直升機直接前往四面體，因為太空站之前曾要求他們前去，所以他們可以進入。Rusakova進入冬眠艙後，Harper載著裝了炸彈的冬眠艙進入太空站。過程中Harper 49播放黑盒子的紀錄，發現原本的Harper和Olsen在前去觀察四面體時，太空船被拉近並無法逃脫。Harper將裝有冬眠艙的後段太空船分離，因此只有Harper和Olsen被外星人捕獲。Harper 49進入四面體後打開冬眠艙，裡面除了炸彈，還有一心想看外星人被炸死的Beech。Rusakova從冬眠艙中醒來，發現自己不在四面體上，而是被放在小木屋前。在外星人將要殺死Harper 49和Beech之前，Harper引爆炸彈，成功炸毀太空站。
三年後，Harper 52憑著片段的記憶找到木屋邊的Rusakova。
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