Dans un avenir proche, la Terre sera confrontée à de graves problèmes environnementaux, notamment la destruction des cultures et des sécheresses généralisées, qui menacent la survie de l’humanité. Un groupe d'astronautes dirigé par Cooper, un ancien pilote de la NASA, est envoyé en mission à travers un trou de ver près de Saturne à la recherche d'une nouvelle planète habitable pour l'humanité.
Cooper, accompagné des scientifiques Amelia Brand, Romilly, Doyle et TARS (un robot sensible), voyage à travers le trou de ver et découvre plusieurs planètes potentiellement habitables. Ils subissent divers défis, notamment la dilatation du temps, qui les amène à vivre des durées de temps différentes par rapport à la Terre. Cooper est également confronté à des difficultés personnelles alors qu'il est aux prises avec la possibilité de ne jamais revoir ses enfants.
Alors que les astronautes explorent différentes planètes, ils rencontrent divers phénomènes, notamment des mondes de glace, des mondes aquatiques et une planète présentant une dilatation temporelle extrême. Ils découvrent également des preuves d'une civilisation humaine antérieure qui avait atteint un niveau technologique avancé. Finalement, Cooper se retrouve dans un tesseract, un continuum espace-temps à cinq dimensions, où il est témoin d'événements de son propre passé et présent.
Grâce aux conseils d'une future version de Murph, la fille de Cooper restée sur Terre, il se rend compte que le but de la mission n'est pas seulement de trouver une nouvelle planète mais aussi de transcender les limites de l'existence humaine et d'acquérir la capacité de manipuler la gravité. Cooper utilise ses nouvelles connaissances pour manipuler le tesseract et envoie un message à Murph, permettant à l'humanité de survivre sur Terre.
Interstellar explore les thèmes de l'amour, de la famille, du sacrifice, de l'exploration scientifique et de la nature du temps et de l'espace. Il combine des éléments de science-fiction avec une narration émotionnelle, présentant un récit complexe et stimulant.