Pada tahun 2020, misi kapal angkasa Mars I ke planet Marikh telah dijalankan oleh para angkasawan seperti Luke Graham (Don Cheadle) bersama rakan-rakan angkasawan Nicholas Willis (Kavan Smith), Sergei Kirov (Peter Outerbridge), dan Renée Coté (Jill Teed). Apabila sudah tiba, pasukan Mars I mendapati pembentukan kristal di kawasan Cydonia, yang mereka mengesyaki adalah kejanggalan dari lajur bawah tanah geotermal, berguna untuk penjajahan manusia masa depan. Selepas melaporkan laporan ini ke ISS, mereka sendiri menyiasat pembentukan kristal tersebut dan terdengar satu bunyi yang aneh melalui sistem komunikasi mereka, yang mereka anggap sebagai gangguan dari planet Rover. Apabila mereka mengimbas dengan radar, satu sinar vorteks secara tiba-tiba muncul lalu membunuh ke semua angkasawan kecuali Lukas. Selepas serangan vorteks berkurangan, tiba-tiba sebuah pesawat kecil alien (Martian) turun ke dasar Marikh dan menyerupai seperti wajah manusia yang sangat besar.ISS menerima mesej kecemasan dari Luke, dan segera menghantar sebuah lagi pesawat misi menyelamatkan bantuan iaitu Mars II untuk membawa pulang semula anak kapal dari Mars I. Misi Mars II dianggotai oleh Komander Woody Blake (Tim Robbins), isterinya Terri Fisher (Connie Nielsen) Co-Commander Jim McConnell (Gary Sinise) dan juruteknik Phil Ohlmyer (Jerry O'Connell). Apabila Mars II mula memasuki orbit Marikh, sebuah mikrometeoroid telah melanggar pesawatnya. Mereka segera untuk memperbaikinya. Semasa pembaikan dilakukan, tangki bahan api telah dibiarkan tidak bertutup, menyebabkan kebocoran dan berlaku letupan lalu menyebabkan terjadinya pembekuan gas sehingga menyebabkan Mars II bergerak ke belakang. Krew mula meninggalkan pesawat untuk sampai ke REMO iaitu (Modul Resupply) yang masih berfungsi untuk mengorbit ke planet Marikh. Mereka melekat antara satu sama lain, Woody dibarisan paling hadapan, mula melepaskan kabel rangkaiannya untuk pergi ke modul yang lain tetapi dia gagal untuk memegang pemegang dengan betul, menyebabkan dia gagal mendarat dengan sempurna dan terapung di angkasa lepas. Terri cuba membantu dan menyelamatkannya, namun tetapi mengetahui dia akan kehabisan gas oksigen sebelum sampai ke tubuh Woody. Woody yang sudah mengetahui akan takdirnya tidak dapat meneruskan hidupnya lagi, dia bingkas menanggalkan topi keselamatan dan terus bertindak untuk membunuh diri adalah untuk mengelakkan Terri dari membantunya.

Apabila mangsa yang lain selamat tiba di permukaan planet Marikh, mereka mendapati Lukas sahaja yang masih hidup dan tinggal di dalam sebuah rumah hijau, yang mana ia mendedahkan struktur wajah alien (Martian) kepada mereka serta bunyi pada sistem komunikasinya sebelum bencana malang tersebut menyerang anak kapalnya. Hasil ujian DNA mendapati makhluk tersebut mempunyai kesamaan seperti manusia, tetapi mereka tidak dilengkapi dengan sepasang kromosom. Mereka hanya mempunyai satu kromosom tunggal sahaja. Jim menentukan mereka mesti melengkapkan urutan khas untuk lulus ujian untuk pulang semula ke bumi dan keluar dari planet Marikh, dan para krew yang lain juga menghantar sebuah robot misi rover untuk mengenalpasti dan menghantar semula isyarat yang lengkap ke ISS. Berikutan penghantaran data tersebut, suatu pembukaan muncul di sebelah struktur tanah Marikh, yang mula dimasuki oleh Jim, Terri, dan Luke, sementara Phil tetap berada di REMO Mars I yang telah dibaiki bersiap sedia untuk dilancarkan semula.

Selepas mereka memasuki lohong tersebut, sistem komunikasi radionya terganggu. Ia disedari oleh Phil yang berada diluar kawasan lohong. Imej unjuran tiga dimensi (3D) sistem sonarnya menggambarkan planet Marikh yang ditutup dengan air selepas dihentam oleh sebuah asteroid besar akibatnya ia tidak dapat didiami oleh sebarang kehidupan. Marikh dalam jangkaannya akan musnah buat selama-lamnya. Golongan Martian segera bertekad untuk memindahkan dunia mereka ke dalam sebuah kapal angkasa sebagai salah satu cara untuknya mendarat ke planet Bumi bagi meneruskan kehidupan di planet yang baharu sebagai langkah kedua, mereka ingin mendiaminya untuk dijadikan sebagai Marikh yang kedua. Akan tetapi, ketua golongan Martian telah bersetuju untuk berpindah ke suatu tempat selain Bumi sebagai tempatnya yang baharu agar tidak diganggu penduduk asal kerana mereka golongan pendatang. Jemputan ini ditawarkan untuk satu angkasawan sahaja untuk mengikuti golongan Martian ke rumah baru mereka. Hanya Jim sahaja yang menerima jemputan tersebut, dia sempat mengucapkan selamat tinggal kepada Terri dan Lukas, ketika mereka pulang kembali kepada Phil untuk pulang Bumi semula, mereka bertiga menaiki sebuah misi kapsul beroksigen (REMO) manakala Jim menaiki sebuah kapal kecil yang dilancarkan dari struktur penghancuran sendiri melewati tiga rakannya yang lain semasa meninggalkan planet Marikh. Mereka yang melihat Jim terbang ke kawasan bima sakti yang dipercayai sebagai rumah baharu golongan Martian.