Trong tương lai, một chứng bệnh lạ đang dần giết chết các loại cây lương thực, những cơn bão cát xảy ra một cách triền miên, lượng oxy trong khí quyển giảm dần, loài người đứng bên bờ vực của sự diệt vong. Cooper, một nông dân góa vợ trước đây từng là kỹ sư và phi công của NASA, sống cùng với bố vợ Donald, con trai Tom và con gái 10 tuổi Murphy. Murphy tin rằng, căn phòng của mình bị ám bởi một "bóng ma" đang cố gắng liên lạc với mình. Murphy và Cooper phát hiện ra rằng "bóng ma" đó là một dạng thông minh chưa được biết đến đang gửi các thông điệp đã được mã hoá cho mình thông qua sóng hấp dẫn. Các thông điệp này tiết lộ các mã nhị phân được mã hoá bằng bụi của toạ độ của một căn cứ bí mật của NASA, đang được dẫn dắt bởi Giáo sư Brand.

Khi tìm đến căn cứ của NASA, họ được giáo sư Brand tiết lộ rằng một lỗ sâu đã được một nền văn minh bí ẩn nào đó tạo ra gần sao Thổ nhiều năm trước, mở ra một con đường tới một thiên hà khác có đến 12 hành tinh tiềm năng cho sự sống. Họ đã gửi 12 nhà du hành khám phá các 12 hành tinh này, gửi tín hiệu về Trái Đất xem hành tinh của họ có đủ điều kiện để hình thành sự sống hay không. Trong số 12 người được gửi đi, có ba người gửi tín hiệu về thông báo rằng hành tinh của họ đáp ứng được các điều kiện cho sự sống của con người. Ba hành tinh này được đặt tên theo 3 người khám phá là Miller, Mann, và Edmunds.

Giáo sư Brand thuyết phục Cooper lái trạm Endurance đi để thu thập dữ liệu điều kiện sống trên ba hành tinh này để cứu nhân loại. Giáo sư Brand và Amelia đã đưa ra phương án A là lợi dụng trọng lực để đưa các trạm không gian khổng lồ vốn không thể phóng lên bằng tên lửa thông thường ra khỏi Trái Đất, tuy nhiên lời giải cho phương trình để thực hiện việc này vẫn còn dang dở; do đó sẽ có thêm phương án dự phòng B là họ sẽ mang theo 5000 phôi thai đông lạnh, bắt đầu một công cuộc tái tạo nhân loại trên hành tinh mới. Việc Cooper quyết định tham gia nhiệm vụ này làm tổn thương con gái anh. Murphy nói với cha rằng các thế lực siêu nhiên gửi thông điệp rằng anh nên ở lại (STAY). Khi hai cha con chia tay, Murphy vẫn còn giận dỗi và không chịu nói chuyện với cha.

Tham gia nhiệm vụ này, ngoài Cooper sẽ có Amelia (nhà sinh vật học, con gái của giáo sư Brand), Romilly (nhà vật lý học), Doyle (nhà địa lý học) và hai con rô bốt có trí tuệ nhân tạo là TARS và CASE. Cả đoàn khởi hành đến hành tinh đầu tiên là Millers, quay xung quanh một lỗ đen có tên gọi là Gargantua. Lực hấp dẫn của lỗ đen làm cho thời gian trên hành tinh này bị dãn ra, chậm hơn so với thời gian trên Trái Đất, một giờ trên Millers dài bằng bảy năm trên Trái Đất. Cooper, Amelia, Doyle và CASE lái một phi thuyền nhỏ rời Endurance, hạ cánh xuống bề mặt hành tinh.

Tuy nhiên họ phát hiện ra rằng hành tinh được bao phủ bởi một đại dương nông với những con sóng khổng lồ (do lực hấp dẫn bởi lỗ đen bên cạnh, lực thủy triều). Trong khi cố gắng thu thập lại dữ liệu của Miller, một con sóng đã đập vào phi thuyền và nhóm phi hành gia, giết chết Doyle và làm chậm việc khởi hành trở lại Endurance. Khi họ trở lại trạm Endurance, hơn 23 năm đã trôi qua. Murphy giờ đã trưởng thành và là một nhà khoa học làm việc cùng Giáo sư Brand. Murphy giờ đã nhận thức được về bố mình và cố gắng giải quyết vấn đề phương án A.

Tuy nhiên, trong lúc hấp hối Giáo sư Brand thú nhận với Murphy rằng ông đã giải được phương trình nhưng đó chỉ là một nửa câu trả lời, kết quả là sẽ không thể đưa được các trạm không gian khổng lồ đó nếu không có thêm dữ liệu từ điểm kỳ dị của lỗ đen. Kết luận rằng con người không thể thoát khỏi Trái Đất, Giáo sư Brand đặt toàn bộ niềm tin vào phương án B. Điều này khiến cô mất cả niềm tin vào Cooper vì cho rằng anh đã biết việc này và vẫn quyết định bỏ rơi những người thân yêu.

Trong khi đó, nhiên liệu trên tàu Endurance chỉ cho phép đi đến 1 hành tinh nữa trước khi trở về Trái Đất. Amelia tin tưởng rằng các dữ liệu về hành tinh Edmunds hứa hẹn có sự sống hơn, nhưng những dữ liệu từ hành tinh này đã ngừng cung cấp từ 3 năm trước. Cooper cho rằng Amelia vì yêu Edmunds mà làm ảnh hưởng đến suy luận của mình, cuối cùng anh quyết định đi Mann. Khi họ hạ cánh xuống Mann, họ tìm được Tiến sĩ Mann trong tình trạng ngủ đông và đánh thức anh dậy. Anh ta (Mann) trình bày lại với nhóm rằng hành tinh này hoàn toàn bị bao phủ bởi băng tuyết, dưỡng khí trên bề mặt cũng không đủ để duy trì sự sống.

Tuy nhiên Mann nói đã phát hiện ra bên dưới bề mặt là môi trường lý tưởng để phát triển sự sống. Cùng lúc đó thì nhóm nhận được tin nhắn của Murphy từ Trái Đất báo cho Amelia biết cha cô đã mất, đồng thời cũng đặt câu hỏi hoài nghi về phương án A cho cả Amelia lẫn Cooper (sau khi đi vào lỗ sâu, Endurance chỉ có thể nhận mà không gửi đi được, vì thế ở Trái Đất không hề có manh mối nào về hành trình của nó). Sự thật là cả Amelia và Cooper đều không hay biết gì về điều này, nhưng Mann biết và xác nhận phương án B mới là mục tiêu thực sự của kế hoạch này. Cooper cho rằng anh đã hoàn thành nhiệm vụ và quyết định bỏ nhóm quay về Trái Đất để gặp gia đình.

Trước khi rời đi anh cùng Mann đi kiểm tra các địa điểm cắm trại cho nhóm ở lại. Mann bất ngờ tháo thiết bị liên lạc và tấn công Cooper, hắn đánh vỡ mặt nạ dưỡng khí của anh. Hắn thú nhận rằng vì muốn được giải cứu nên đã làm giả dữ liệu về hành tinh do mình thám hiểm. Trong khi đó Romilly bị chết do mìn nổ (bẫy của Mann) khi đang cố gắng khôi phục bí mật của Mann. Mann lái một phi thuyền trở lại Endurance để đi đến Edmunds thực hiện Phương án B. Còn Cooper cố gắng lấy lại được bộ đàm và gọi Amelia đến cứu. Amelia lái một phi thuyền khác đến cứu Cooper và cả hai quay trở lại Endurance đúng lúc Mann cố gắng lắp ghép phi thuyền của mình vào Endurance. Do làm sai kỹ thuật, bộ phận lắp ghép bị mất áp suất, giết chết Mann và phá huỷ một phần Endurance. Cooper sau đó đã nỗ lực đưa được Endurance trở lại hoạt động.

Sau khi biết rằng hành tinh Mann không thể duy trì sự sống, Cooper quyết định sẽ đi đến Edmunds. Với rất ít nhiên liệu còn lại, Cooper đưa ra ý tưởng lợi dụng trọng lực của lỗ đen Gargantua để bay đến Edmunds. Trạm Endurance sẽ sử dụng nhiên liệu của từng phi thuyền để tăng tốc và cắt bỏ phi thuyền đó khi hết nhiên liệu. Lượng dưỡng khí còn lại là không đủ, Cooper quyết định hi sinh để Amelia có thể chạy thoát, lúc này trên Trái Đất 51 năm đã trôi qua.

Sau khi cắt bỏ, Cooper và TARS rơi vào hố đen Gargantua, tuy nhiên ở bên kia là một không gian 5 chiều. Thời gian ở đó xuất hiện như là một chiều không gian cho phép Cooper có thể di chuyển đến các thời điểm khác nhau trong căn phòng của Murphy. Cooper hối hận về việc mình đã ra đi, gửi thông điệp ở lại (STAY) cho con gái của mình. Cooper còn nhận ra rằng không gian này được tạo ra bởi loài người ở tương lai. Họ đã tạo ra không gian này cho anh để anh có thể tương tác với Murphy như là một thế lực siêu nhiên để cứu loài người, thay đổi tương lai chứ không phải để thay đổi quá khứ.

Sử dụng sóng trọng lực Cooper gửi các dữ liệu mà TARS thu thập về điểm kỳ dị của lỗ đen đến Murphy trưởng thành thông qua mã Morse, biểu thị bằng sự dịch chuyển các kim trên đồng hồ mà anh đã tặng con gái trước khi lên đường. Murphy đọc được các mã này, hoàn thành được phương trình vật lý của Brand và đưa nhân loại ra khỏi Trái Đất trước khi nó biến thành một hành tinh chết. Sau đó Cooper được tìm thấy gần Thổ Tinh và tỉnh dậy trên trạm không gian Cooper, trạm được đặt tên theo họ của Murphy.

Cooper gặp lại con gái của mình khi này đã rất già. Trên giường bệnh, Murphy thuyết phục cha mình đi tìm Amelia. Trong khi đó Amelia đã hạ cánh, phát hiện ra Edmunds đã chết. Cô cùng CASE dựng trại và bắt đầu phương án B trên hành tinh Edmunds, một hành tinh lý tưởng cho sự sống. Theo lời con gái, Cooper cùng TARS đã lên phi thuyền đi tìm Amelia, mở ra một thế giới mới cho nhân loại.