Im Jahr 2020 gelingt es einer Gruppe von Astronauten unter Leitung von Luke Graham (Don Cheadle), zum Mars zu fliegen und erfolgreich auf der Oberfläche des roten Planeten zu landen. Sie geraten jedoch in einen heftigen Wirbelsturm, und es gelingt Luke gerade noch, einen Hilferuf in Richtung Erde abzuschicken. Dort wird eine Rettungsmannschaft zusammengestellt, die hinterherfliegen und nach Überlebenden suchen soll.
Mit an Bord sind Commander Woody Blake (Tim Robbins) und seine Frau Terri, Co-Pilot Jim McConnell (Gary Sinise) sowie der Techniker Phil Ohlmyer. McConnel, der noch immer um seine verstorbene Frau Maggie trauert, wird gegen den Willen des Missiondirektors Ramier Beck mitgeschickt, da er wie kein anderer die Beschaffenheit des Mars kennt.
Als sie den roten Planeten erreichen, stellen sie fest, dass an der Unglücksstelle ein Strahlungssturm wütet. Nahe des Basiscamps sind drei Gräber ausgehoben worden. Ein Meteoritensplitter durchschlägt die Hülle – und Ohlmyers Hand. Sauerstoff entweicht, der Innendruck des Raumschiffes sinkt. Mit vereinten Kräften können sie das Leck schließen, aber danach wird die Zeit bis zur Landung so knapp, dass sie weitere schwere Schäden an einer Kraftstoffleitung übersehen.
Als die Triebwerke zünden, gerät ausgetretener Treibstoff in Brand und es kommt zu einer schweren Explosion; das Schiff gerät außer Kontrolle. Die Crew verlässt es und begibt sich in Raumanzügen ins All, um auf eine kleine orbitale Versorgungsstation umzusteigen. Commander Blake wird beim Versuch, das Modul zu erreichen, abgetrieben und befiehlt den anderen, ihn zurückzulassen. Terri weigert sich, und so nimmt er seinen Helm ab, um sie von weiteren Rettungsversuchen abzuhalten.
Den übrigen drei gelingt eine kontrollierte Landung, sie erreichen ohne große Zwischenfälle das Basiscamp und stellen fest, dass Luke Graham immer noch am Leben ist. Er hat im Gewächshaus der Anlage überlebt und erzählt ihnen, dass er mit Absicht von der Unglückstelle in der Cydonia-Region ferngehalten wurde, an der sich das "Marsgesicht" befindet, das seit jeher Grund vieler Spekulationen über Leben auf dem roten Planeten ist.
Die Astronauten erkennen, dass die Audio-Signale, die das mittlerweile freigelegte Gesicht ausstrahlt, eine grafische Darstellung eines DNA-Strangs ergeben. Sie fügen der Sequenz das fehlende Chromosomenpaar hinzu und übertragen sie. Das monumentale Gesicht beginnt sich daraufhin zu öffnen und offenbart ein technologisch hochentwickeltes Inneres. McConnell, Luke und Terri stoßen auf eine holografische Aufzeichnung eines außerirdischen Wesens, dass ihnen die gemeinsame Geschichte ihrer Spezies enthüllt:
Einst war der Mars von vielen Lebewesen und einer hochentwickelten Zivilisation bevölkert, bis ein Meteoriteneinschlag das Ökosystem des Planeten zerstörte; die Marsianer flohen in Raumschiffen und hinterließen in den Urmeeren der Erde genetische Proben ihrer eigenen Welt. So entwickelte sich eine vielfältige Flora und Fauna, aus der schließlich die Menschen hervorgingen. Das Gesicht wurde auf dem sterbenden Mars zurückgelassen, damit diese eines Tages wieder mit ihren Vorfahren in Kontakt treten konnten.
Jim McConnell tut genau dies: er reist mit einem bereitgehaltenen Sternenschiff den Marsianern hinterher, um seinen und Maggies Traum vom Kontakt zu anderen intelligenten Wesen zu verwirklichen. Die anderen machen sich auf den Heimweg und beobachten, wie sein Schiff ihn in eine ferne Galaxie trägt.
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