PROJECT HAIL MARY berkisah tentang bumi yang terancam kembali ke zaman es. Dalam 30 tahun, ahli memprediksi ekosistem runtuh, perang pangan global terjadi, dan populasi manusia turun hingga 50%. Semua gara-gara Astrophage, organisme pemakan energi matahari.
Semua panik, putus asa, dan takut. Siapa sangka kuncinya justru ada pada Dr. Ryland Grace (Ryan Gosling), seorang guru sains. Tanpa diduga, ia jadi harapan besar bagi seluruh penduduk bumi.