En 2050, l'humanité se meurt, victime de ses excès. Pollution et surpeuplement font craindre le pire. Les scientifiques estiment que la seule chance de survie de la race humaine serait de coloniser Mars. Une équipe d'astronautes, sous le commandement de Kate Bowman, est envoyée sur la planète rouge. Sa principale mission consiste à déterminer les causes de l'échec d'une première tentative d'«oxygénation» de l'atmosphère martienne, qui semblait pourtant prometteuse. Composé de personnalités très différentes, voire franchement antagonistes, le petit groupe rencontre rapidement des obstacles.