Sam Bell est l'unique employé d'une station lunaire appartenant à une compagnie chargée d'extraire un combustible, l'hélium-3. Il ne discute qu'avec l'ordinateur Gerty et, à la suite d'un bris technique, il ne peut qu'envoyer des messages préenregistrés sur Terre, particulièrement à son épouse Tess et à leur fillette. Fébrile à l'idée de terminer son contrat de trois ans, Sam commence à éprouver divers problèmes de santé, dont des migraines et des hallucinations, ce qui provoque un grave accident près d'une plate-forme de forage. Incapable de comprendre comment il est revenu sain et sauf à la station, l'astronaute découvre qu'un clone de lui, mais en plus jeune, habite les lieux et qu'une équipe de sauvetage s'apprête à venir à sa rescousse. Sam commence alors à remettre en question sa véritable identité.