Lähitulevaisuudessa maapallolla on edessään vakavia ympäristöongelmia, kuten satorutto ja laajalle levinnyt kuivuus, jotka uhkaavat ihmiskunnan selviytymistä. NASAn entisen lentäjän Cooperin johtama astronauttien ryhmä lähetetään madonreiän läpi Saturnuksen lähellä etsimään uutta ihmiskunnalle sopivaa planeettaa.
Cooper matkustaa madonreiän läpi yhdessä tutkijoiden Amelia Brandin, Romillyn, Doylen ja TARSin (aistimielinen robotti) kanssa ja löytää useita mahdollisesti asuttavia planeettoja. He käyvät läpi erilaisia haasteita, mukaan lukien ajan laajeneminen, mikä saa heidät kokemaan erilaisia aikoja Maahan verrattuna. Cooper kohtaa myös henkilökohtaisia kamppailuja, kun hän kamppailee mahdollisuuden kanssa, ettei hän ehkä koskaan näe lapsiaan enää.
Kun astronautit tutkivat eri planeettoja, he kohtaavat erilaisia ilmiöitä, kuten jäämaailmoja, vesimaailmoja ja planeetan, jonka aika on äärimmäisen laajentunut. He löytävät myös todisteita aikaisemmasta ihmissivilisaatiosta, joka oli saavuttanut edistyneen teknologian tason. Lopulta Cooper löytää itsensä tesseraktista, viisiulotteisesta aika-avaruuden jatkumosta, jossa hän todistaa tapahtumia omasta menneisyydestään ja nykyisyydestään.
Maahan jääneen Cooperin tyttären Murphin tulevan version ohjaamana hän ymmärtää, että tehtävän tarkoituksena ei ole vain löytää uusi planeetta, vaan myös ylittää ihmisen olemassaolon rajoitukset ja saada kyky manipuloida painovoimaa. Cooper käyttää uutta tietoaan manipuloidakseen tesseraktia ja lähettää Murphille viestin, jonka avulla ihmiskunta voi selviytyä maan päällä.
Interstellar tutkii rakkauden, perheen, uhrausten, tieteellisen tutkimuksen sekä ajan ja tilan luonteen teemoja. Se yhdistää science fiction -elementtejä tunneperäiseen tarinankerrontaan esittäen monimutkaisen ja ajatuksia herättävän tarinan.