メディカル・エンジニアであるライアン・ストーン博士(サンドラ・ブロック)は、ベテラン宇宙飛行士マット・コワルスキー(ジョージ・クルーニー)のサポートのもと、地球の上空60万メートルの無重力空間＜ゼロ・グラビティ＞で、データ通信システムの故障の原因を探っていた。これが最後のミッションとなるコワルスキーは、いつものようにヒューストンとの通信でジョークを交わし、宇宙遊泳を楽しんでいた。その時、ヒューストンから「作業中止!至急シャトルへ戻り、地球へ帰還しろ!」という緊迫した命令が届く。破壊された人工衛星の破片(スペース・デブリ)が別の衛星に衝突して新たなデブリが発生し、彼らのいる方向へ猛烈な速さで迫っているというのだ。さらに連鎖反応で衛星が次々と破壊され、様々なシステムが壊滅し、ヒューストンとの通信も途絶えてしまう。シャトルに戻ろうとするふたりに、凶器と化したデブリが襲いかかった!シャトルから切り離されたアームとともに、一瞬にして宇宙空間へ放り出されるストーン。ベルトを外して何とかアームから離れるが、激しく回転しながら漆黒の闇へと消えていく。コワルスキーの冷静な指示に従って、現在位置を伝えるが、酸素タンクは10%まで減っていた。回転が止まり、深い静けさと底無しの闇にただひとり漂うストーン。聞こえるのは、自分の荒い息と、恐怖に縮みあがった心臓の鼓動だけ。「ライトをつけろ」コワルスキーの声に、我にかえるストーン。ストーンを発見したコワルスキーは、互いの身体をロープでつなぎ、小型ロケットエンジンを駆使して、シャトルを目指す。だが、機体はデブリとの衝突で大破し、生存者はストーンとコワルスキーのふたりだけだった──。コワルスキーは次の手を考え出す。国際宇宙ステーションに行けば、そこにある宇宙船ソユーズで地球へ帰れるはずだ。宇宙での初めての危機に混乱するストーンにベテラン宇宙飛行士コワルスキーは美しい日の出を見せ、心を落ち着かせようと声をかけ続ける。そんなコワルスキーの優しさに、ストーンは初めて、彼女の心を打ち砕き、希望を奪い去った哀しい過去の出来事を打ち明けるのだった。国際宇宙ステーションの間近まで辿り着いたふたりは、ソユーズの機体が損傷していることに気付く。これでは地球まで帰還するのは不可能だ。しかしソユーズの近くには、中国の宇宙ステーションがあることをコワルスキーは知っていた。だが、ストーンの酸素はほぼゼロとなり、意識が遠のいていく。果たしてふたりは生きて地球へ帰り、再びその足で大地を踏むことができるのか──?