未知の原因によって太陽エネルギーが奪われる異常事態が発生。このままでは地球の気温は低下し、全生命は滅亡する。この絶望的な危機を救う鍵が、11.9光年先の宇宙にあると突き止めた人類は、一縷の望みをかけて宇宙船を建造。中学校の科学教師グレースを送り込む。 彼は科学の知識を武器に、“イチかバチか”のミッション＜プロジェクト・ヘイル・メアリー＞に立ち向かうことになる。
宇宙の果て、極限の孤独のなかでグレースが出会ったのは、同じく母星を救うためにひとり奮闘する異星人ロッキーだった。姿形、言葉も違う二人が、科学を共通言語に挑む、宇宙最大の難題。やがて育まれる種族を超えた友情の先で、二人が辿り着いた答えとは ――。