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Der altgediente Astronaut Matt Kowalski und Missionsspezialistin Dr. Ryan Stone sind gemeinsam mit drei anderen Astronauten in einem Space Shuttle mit der Missionsnummer STS-157 im Weltall. Es ist Matt Kowalskis letzter Einsatz, weshalb er etwas wehmütig ist. Für die Ärztin Dr. Ryan Stone hingegen ist es der allererste Flug im Space Shuttle und ihr erster Außeneinsatz im All. Die beiden Astronauten führen zusammen mit einem dritten Kollegen Reparaturarbeiten am Hubble-Weltraumteleskop durch und stehen in ständigem Kontakt mit der Kommandozentrale der NASA in Houston. So erfahren Stone und Kowalski, dass ein russischer Satellit im Orbit zerstört wurde und die Trümmerteile ziellos in der Umlaufbahn treiben. Da aktuell laut Houston keine Gefahr bestehe, setzen die Astronauten ihre Arbeit zunächst fort.
Nach kurzer Zeit geht von Houston ein erneuter Funkspruch ein, dass die Trümmerteile des russischen Satelliten andere Satelliten getroffen haben, sich das Trümmerfeld dadurch dramatisch vergrößert hat und nun doch eine ernste Gefahr für die Crew am Hubble-Teleskop besteht. Der Außeneinsatz soll sofort abgebrochen werden. Kowalski und Stone versuchen, das Hubble vom Space Shuttle so schnell wie möglich zu lösen und zurück in das Shuttle zu gelangen. Doch die Trümmerteile schlagen mit voller Wucht am Ort des Geschehens ein und treffen den dritten Astronauten tödlich. Durch die zahlreichen Einschläge werden das Space-Shuttle und das Hubble-Teleskop zerstört. Kowalski und Stone werden durch umherfliegende Trümmer vom Schiff weggeschleudert. Stone wird hinaus ins offene Weltall gestoßen und dreht sich unkontrolliert um ihre eigene Achse. Trotzdem kann sie wieder Funkkontakt mit Kowalski aufnehmen, der sie zu beruhigen versucht, da die Sauerstoffvorräte ihres Raumanzuges einen kritisch niedrigen Wert erreicht haben. Er kann sie von ihrer Panik befreien und kurz danach bewegt er sich mittels der Schubdüsen seines Düsenrucksacks zu ihrer Position. Er verbindet sich mit einem Gurt mit ihrem Raumanzug, damit sich beide zusammen auf den Weg zum Space-Shuttle machen, in der Hoffnung, dass dieses noch intakt ist und sie dort auf Rettung von der Erde warten können. Am Shuttle angelangt, finden sie aber nur noch die leblosen Körper der restlichen Crew vor, da die Trümmer der Satelliten das lebenserhaltende System sowie die Außenhülle zerstört haben. Kowalski gibt nun als neues Ziel die Internationale Raumstation ISS an, damit sie dort eine der vorhandenen Rettungskapseln für den Wiedereintritt in die Erdatmosphäre nutzen können. Sie machen sich mit Hilfe der Schubdüsen von Kowalskis Raumanzug auf den Weg dorthin.
Als die ISS in Sichtweite gerät, müssen sie feststellen, dass auch diese von den Trümmern beschädigt wurde und dass bei der einzigen verbliebenen Raumkapsel der Bremsfallschirm ausgelöst wurde. Zudem ist der Treibstoff für Kowalskis Steuerdüsen aufgebraucht und so werden die beiden Astronauten mit hoher Geschwindigkeit gegen die Außenhülle der ISS geworfen und drohen wieder in den offenen Weltraum zu gelangen. Der offene Bremsfallschirm der Rettungskapsel verhindert dies zunächst, da sich Stone in den Fallschirmleinen verfängt. Jedoch droht sich dieser Halt zu lösen und Kowalski fasst den Entschluss, die Verbindung zu Stone auszuklinken, damit sich wenigstens Stone retten kann. Obwohl Stone eindringlich dagegen protestiert, löst Kowalski die Verbindung und schwebt in die Umlaufbahn der Erde, unerreichbar für Stones eventuelle Rettungsversuche. Stone muss sich in das Innere der ISS retten, da ihr Sauerstoffvorrat nun völlig aufgebraucht ist. Sie gelangt in letzter Sekunde in eine Druckschleuse, wo sie sich ihres Raumanzuges entledigt.
Die durch den Einschlag der Trümmer in die ISS verursachten Schäden lassen nach kurzer Zeit ein Feuer ausbrechen und Stone kann sich im letzten Moment in die noch verbliebene russische Raumkapsel retten. Beim Versuch diese zu starten, muss sie allerdings feststellen, dass sich die Fallschirmleinen an der Raumstation verfangen haben und die Kapsel am Wegflug hindern. Als sie aussteigt, um die Leinen zu lösen, nähert sich wieder das Trümmerfeld, das nach 90 Minuten die Erde umrundet hat und mit heftigen Einschlägen die ISS zerstört. Stone schafft es daraufhin, in die nun befreite Kapsel zu gelangen und diese mit Hilfe der Steuerdüsen auf eine chinesische Raumstation auszurichten. Da das Haupttriebwerk jedoch nicht zündet, bleibt die Station unerreichbar. Stone treibt nun mit der Kapsel im Orbit und verzweifelt langsam an ihrer Situation. Durch ständige Funkversuche schafft sie es zwar, mit einem Menschen in Kontakt zu kommen, aber dieser stellt sich als grönländisch sprechender Fischer[4] heraus, der ihr in ihrer Situation nicht helfen kann.
Durch ein Drosseln des Sauerstoffs möchte Stone sich schließlich das Leben nehmen, als Kowalski in seinem Raumanzug an die Außenhülle der Kapsel klopft und in das Innere gelangt. Dieser geht nicht näher darauf ein, wie er zurück zu Stone gelangen konnte und schlägt vor, mit Hilfe der Bremsraketen der Kapsel zur chinesischen Raumstation Tiangong 1 zu gelangen. Er versucht, Stone Mut zu diesem Unterfangen zu machen und hält diese von ihrem Suizid ab. Plötzlich stellt sich die Erscheinung Kowalskis allerdings nur als Halluzination heraus und Stone bemerkt, dass sie sich sein Auftauchen und die Unterhaltung zwischen ihnen nur eingebildet hat. Doch Stone kann dadurch neuen Mut fassen und macht sich nun mit Hilfe der russischen Bedienungsanleitung daran, die Kapsel auszuklinken und die Bremsraketen zu aktivieren, damit sie der entstehende Schub zur chinesischen Raumstation bringt. Dort angelangt, kann sie aus der russischen Kapsel aussteigen und sich mit Hilfe des Rückstoßes eines Feuerlöschers, den sie von der ISS mitnehmen konnte, zur Eintrittsluke der chinesischen Rettungskapsel an der Raumstation bewegen. Die Raumstation wurde allerdings auch von den Satellitentrümmern getroffen und befindet sich bereits im unkontrollierten Wiedereintritt in die Erdatmosphäre, der durch das erneute Eintreffen des Trümmerfelds verstärkt wird. Stone schafft es in letzter Sekunde, die chinesische Rettungskapsel von der Raumstation zu lösen und der Zerstörung durch den Wiedereintritt zu entgehen. Der Bremsfallschirm der Kapsel löst vollständig aus und die Kapsel kann sicher in einem See auf der Erde landen.
Durch den Wiedereintritt ist in der Kapsel ein Feuer ausgebrochen, so dass Stone so schnell wie möglich versucht, aus der Kapsel zu entkommen. Dabei öffnet sie die Austrittsluke der Kapsel, wodurch Wasser des Sees eindringt und die Kapsel zum Sinken bringt. Stone kann sich zwar aus der sinkenden Kapsel befreien, wird aber beinahe durch das Gewicht des Raumanzuges, der sie am Auftauchen hindert, ertränkt. Schließlich gelingt es ihr, sich des Raumanzuges zu entledigen und an das Ufer des Sees zu schwimmen. Dabei kann sie die Trümmer der chinesischen Raumstation in der Erdatmosphäre verglühen und in sicherer Entfernung auf die Erde herunterfallen sehen.
Am Ufer des Sees angelangt, ist sie zunächst überwältigt von ihrem sicheren Ankommen auf der Erde und kann nur mit Mühe aufrecht stehen. Amerikanische Funksprüche in der chinesischen Kapsel künden an, dass der Wiedereintritt Stones bemerkt wurde und sich Rettung auf dem Weg befindet.
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