能够展翅高飞的猎鹰山姆·威尔逊（安东尼·麦凯 Anthony Mackie 饰）受史蒂夫·罗杰斯的信任所托，接过盾牌，正式成为美国队长。在与美国总统撒迪厄斯·罗斯（哈里森·福特 Harrison Ford 饰）会面后，山姆发现自己被卷入了一场国际事件。他必须赶在真正的幕后黑手让全世界陷入混乱之前查明真相，揭露这起波及全球的阴谋。

《星际穿越》可以说是导演克里斯托弗·诺兰最为出色的作品之一，比在他在《记忆碎片》中创作的编年史更为重要，比《盗梦空间》中扭曲的情节更令人印象深刻，比将《蝙蝠侠：侠影之谜》中的蝙蝠侠重新想象成21世纪最独特的超级英雄系列更令人望而生畏。该片既是一部大成本的科幻小说，也是一部关于爱与牺牲的简单故事。它包含了急躁、惊险、希望和心碎。该片的创作是一个惊人的成就，值得在最大的屏幕上和使用最好的音响系统来观看。

《星际穿越》可以说是一部科幻小说，而不是太空舞台剧。它不光是未来派的幻想，而应该理解为“科幻小说”这个词语就是为它而创造的。该片提出了一个具有可行性的未来和太空旅行，虽有可行性，但是却充满了危险和不确定性。宇宙飞船不单是从一个星球飞到另一个星球那么简单，这里没有发射激光或导弹，它为了穿越遥远的距离而使用危险和不可预测的方法来进入黑洞。

时间膨胀是在黑洞存在的情况下产生的，这关系到量子力学和爱因斯坦的相对论。该片不同于《星球大战》《星际迷航》或《银河护卫队》这样的科幻影片，任何抱着这样的期望而来观看该片的人都会感到失望。该片更像是电影《超时空接触》《地心引力》的感觉，因为它是认同科学的，而没有用一些超出人类理解范围之外的规则。

地球农作物因气候转变及枯萎病而经常失收，曾是美国国家航空航天局的工程师和航天飞机驾驶员的库珀（马修·麦康纳饰）被迫成为农民以协助解决粮食危机。库珀的10岁女儿墨菲（麦肯基·弗依饰）发现其房间书架上的书本无故掉到地上，认为这是幽灵现象。不久后，一场沙尘暴在墨菲房间中留下二进制坐标，二人驱车到达坐标位置后发现那是北美空防司令部（美国国家航空航天局的秘密基地）。

基地负责人布兰德教授（迈克尔·凯恩饰）向库珀透露土星附近出现了虫洞，认为外星智慧有意协助人类前往遥远星系移居，总署在约十年前已派遣了十二名科学家穿越该虫洞，各自降落在多个被认为有居住可能性的行星上，传送回来的资料显示其中一个以黑洞“卡冈图雅（Gargantua）”为中心的行星系统有三颗星球可能适合殖民。行星以降落的科学家名字命名：米勒（Miller）、埃德蒙斯（Edmunds）和曼恩（Mann）。库珀答允布兰德教授的要求，担任航天器永恒号（Endurance）的驾驶员前往执行拉撒路项目（Lazarus mission）：A计划为确认星球适居性后，通过布兰德教授的重力方程协助地球人类前往殖民；B计划为带着多个人类胚胎进行殖民，留在地球的人类则会灭绝。墨菲因担心库珀一去不回而深感愤怒，库珀在二人没有好好道别的情况下离开，他与布兰德教授的女儿艾米莉亚（安妮·海瑟薇饰）、物理学家罗米利（大卫·吉亚斯饰）、地质学家道尔（韦斯·本特利饰）和两个机器人塔斯（TARS）与凯斯（CASE）前往太空登上永恒号启程。

众人先到达米勒星；“卡冈图雅”庞大引力造成的引力时间膨胀使米勒星的一小时约为地球的七年。但众人漏算了前几年收到来自米勒的数据以此星球的时间而言其实只是几小时前，因此除罗米利与塔斯外一众成员乘坐飞艇漫游者号（Ranger）降落星球后，才发现地表只有一片汪洋且经常出现巨型海啸，其海啸的来袭使道尔丧生，并且延误了回程。众人返回永恒号后发现对罗米利而言已度过了超过23年的时间。

众人认为至今只能选择前往余下两个星球的其中一个，经过一番争辩后终决定前往曼恩星。同时墨菲已成长为与库珀离开地球时相同的同龄，她加入了美国国家航空航天局协助布兰德教授解开拯救地球人类所需要的重力方程，但教授在健康恶化弥留之际向墨菲承认A计划只是个谎言，不可能实现。另一方面，科学家曼恩（马特·达蒙饰）被众人从人工睡眠中唤醒后表示，方程因缺乏黑洞引力奇点的数据而无法完成，因此永恒号的真正目的并非拯救地球人类，库珀因此十分愤怒与懊悔，打算放弃项目、回到地球寻找家人。在稍后的营地寻找任务中，曼恩破坏了库珀的太空面罩并表示所有宜居数据均为他一手创造的假数据，目的是希望国家航空航天局能派人前来救他。曼恩留下待死的库珀后夺取漫游者号前往永恒号，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，触动了陷阱引发爆炸身亡。艾米莉亚救回即将因吸入过多氨气而窒息的库珀，二人乘坐降落艇追赶曼恩。曼恩在与永恒号并未完全对接成功的情况下打开气闸，产生的失控减压使他身亡，并导致永恒号失控旋转，库珀成功对接永恒号使其稳定下来。