서기 2058년, 최첨단 과학 문명이 세워놓은 미래 사회에 절대 절명의 위기가 찾아온다. 대체 에너지의 고갈, '지구 전복단'이라는 테러 집단의 출몰, 연일 계속되는 전쟁으로 지구 전체가 혼란 속에 빠져버린 것이다. 새로운 행성을 찾지 못하면 인류는 멸망하고 말 것이라는 위기감이 극에 달하자 연방 항공우주국은 긴급 회의를 소집하여 은하계 탐사를 결정하고 탐사대를 모집한다. 제1차 탐사지는 생명체의 생존 가능성이 가장 높게 나타난 '알파 프라임' 행성. 우주 과학자 존 로빈슨 박사(John Robinson: 윌리엄 허트 분)는 자신이 오랫동안 몰두해온 은하계에 대한 연구결과를 확인하기 위해 탐사대에 지원하고 가족들과 함께 쥬피터 2호의 냉동캡슐에 동승한다. 전투에서 혁혁한 공을 세운 돈 웨스트 소령(Don West: 맷 르블랑 분)이 조종하는 쥬피터 2호는 드디어 광활한 우주를 향한 멀고도 긴 항해를 시작한다.

한편, 지구 운명이 달려있는 막중한 우주탐사가 계획되는 동안, 테러 집단에 매수된 스파이 자카리 스미스 박사(Dr. Smith / Spider Smith: 게리 올드만 분)는 알파 프라임 행성을 먼저 차지하기 위해 자신의 로봇에게 쥬피터 2호 파괴명령을 입력한다. 하지만 테러 집단의 음모로 스미스 박사도 우주 탐사선에 탑승하게 되고, 당황한 스미스 박사는 자신이 입력한 파괴 명령을 제거하려하나, 이미 쥬피터 2호는 기내 고장을 일으켜 이글거리는 태양의 불구덩이 속으로 급속히 빨려 들어간다. 위기 일발 상황에서 선택의 여지없이 로빈슨 박사는 태양 속을 광속으로 달려 위기를 모면하지만, 쥬피터 2호는 위치를 알 수 없는 우주 속에 멈춰 일행은 우주의 미아가 된다.