W najbliższej przyszłości Ziemia stanie przed poważnymi problemami środowiskowymi, w tym zarazami upraw i powszechnymi suszami, które zagrażają przetrwaniu ludzkości. Grupa astronautów pod przewodnictwem Coopera, byłego pilota NASA, zostaje wysłana na misję przez tunel czasoprzestrzenny w pobliżu Saturna w celu poszukiwania nowej planety nadającej się do zamieszkania dla ludzkości.
Cooper wraz z naukowcami Amelią Brand, Romilly, Doylem i TARS (świadomym robotem) podróżują przez tunel czasoprzestrzenny i odkrywają kilka planet, które potencjalnie nadają się do zamieszkania. Poddają się różnym wyzwaniom, w tym dylatacji czasu, co powoduje, że doświadczają innej ilości czasu w porównaniu z Ziemią. Cooper musi także stawić czoła osobistym zmaganiom, zmagając się z możliwością, że może już nigdy więcej nie zobaczyć swoich dzieci.
Gdy astronauci eksplorują różne planety, napotykają różne zjawiska, w tym światy lodowe, światy wodne i planetę o ekstremalnym dylatacji czasu. Odkrywają także dowody na istnienie poprzedniej cywilizacji ludzkiej, która osiągnęła zaawansowany poziom technologii. W końcu Cooper trafia do tesseraktu, pięciowymiarowego kontinuum czasoprzestrzennego, gdzie jest świadkiem wydarzeń ze swojej przeszłości i teraźniejszości.
Pod przewodnictwem przyszłej wersji Murph, córki Coopera, która pozostała na Ziemi, zdaje sobie sprawę, że celem misji jest nie tylko odnalezienie nowej planety, ale także przekroczenie ograniczeń ludzkiej egzystencji i zdobycie umiejętności manipulowania grawitacją. Cooper wykorzystuje swoją nowo zdobytą wiedzę do manipulowania tesseraktem i wysyła wiadomość do Murpha, umożliwiając ludzkości przetrwanie na Ziemi.
Interstellar porusza tematy miłości, rodziny, poświęcenia, odkryć naukowych oraz natury czasu i przestrzeni. Łączy elementy science fiction z emocjonalnym opowiadaniem historii, przedstawiając złożoną i zmuszającą do myślenia narrację.