21世纪初，地球的基础科学陷入了前所未有的危机，许多科学家感到绝望并陷入了疯狂，甚至有人选择了自杀。在风暴即将来临之际，一些敏锐的人开始嗅到了毁灭的气息。就在这一天，纳米科学家汪淼（由张鲁一饰演）被粗鲁的警官史强（由于和伟饰演）带到了联合作战中心，并得知科学家们的死亡似乎与一个名为“科学边界（ETO）”的组织有关。作战中心希望汪淼能够潜入该组织，调查他们与死亡科学家以及一款神秘游戏《三体》之间的联系。面前不断倒计时的数字、ETO负责人申玉菲（由李小冉饰演）预测的宇宙闪烁现象，以及《三体》中那个不断毁灭又重生的文明，都让汪淼和大史感到困惑和好奇。而看似平凡的老年科学家叶文洁（由陈瑾饰演），她的出现将一切引向了数光年外的未知领域……本片根据刘慈欣同名科幻小说改编而成。