3028年的地球，人類已與外星文明建立聯系卻遭遇純能量體生物“錐爾”的毀滅性攻擊。科學家山姆·塔克博士（朗·普爾曼配音）為守護“泰坦計劃”，將幼子凱爾（阿歷克斯·迪·林茲配音）托付給外星友人泰克（同恩·洛克飾）。15年后，凱爾與泰克在小行星帶垃圾站相依為命時，父親舊友科爾索船長（比爾·普爾曼配音）說服其以人類存亡為己任，利用父親遺留的戒指尋找承載“泰坦計劃”的飛船。旅途中凱爾對副船長安吉瑪（德魯·巴里摩爾配音）萌生情愫。眾人歷經艱險發現泰坦飛船后，最終激活其核心裝置，在擊退錐爾人進攻的同時成功創造新地球——這是人類延續文明的唯一希望。