Gardner Elliot (Asa Butterfield) é um menino curioso e altamente inteligente, nascido e criado em Marte. Sua mãe descobriu a gravidez após decolar no ônibus espacial que carregava a missão de colonizar o planeta vermelho, e morreu por complicações no parto sem nunca ter revelado o nome do pai.

Convivendo com apenas 14 pessoas nos primeiros 16 anos de vida, o jovem astronauta recebeu uma educação restrita e pouco convencional, que alimentou uma enorme vontade de conhecer o seu pai biológico. Mas com a ajuda de Tulsa (Britt Robertson), uma garota do Colorado, USA, que se torna uma grande amiga virtual, Gardner consegue criar forças para descobrir a qual lugar do universo pertence.

Quando finalmente tem a chance de viajar para a Terra e conhecer sobre tudo o que leu enquanto esteve no espaço, Gardner descobre que seus órgãos não resistem à atmosfera do planeta. Ansioso para encontrar seu pai, o garoto escapa da equipe de cientistas que o cuidaram desde o nascimento e junto com Tulsa embarca em uma inesquecível corrida contra o tempo.