Im Jahr 2020 gelingt es einer Gruppe von Astronauten unter Leitung von Luke Graham, zum Mars zu fliegen und erfolgreich auf der Oberfläche des roten Planeten zu landen. Gleich beim ersten Erkundungsgang geraten sie jedoch in einen heftigen unnatürlichen Wirbelsturm, und es gelingt Luke gerade noch, einen Hilferuf in Richtung Erde abzuschicken. Dort wird eilig eine Rettungsmannschaft zusammengestellt, die hinterher reisen und nach Überlebenden suchen soll.

Mit an Bord auf dem beschwerlichen Flug sind Commander Woody Blake und seine Frau Terri, Copilot Jim McConnell sowie der Techniker Phil Ohlmyer. Jim, der noch immer um seine verstorbene Frau Maggie trauert, wird gegen den Willen des Missiondirektors Ramier Beck mitgeschickt, da er wie kein anderer die Beschaffenheit des Mars kennt.

Jim sieht sich noch einmal ein Video seiner Frau an, die darüber philosophiert, dass es die Bestimmung der Menschen sei, auf anderen Welten anderes Leben zu finden. Als die Crew danach das Landemanöver probt, durchschlägt ein Meteoritensplitter die Hülle – und Ohlmyers Hand. Sauerstoff entweicht, der Innendruck des Raumschiffes sinkt. Mit vereinten Kräften können sie das Leck schließen, aber danach wird die Zeit bis zur Landung so knapp, dass sie weitere schwere Schäden an einer Kraftstoffleitung übersehen.

Als die Triebwerke zünden, gerät ausgetretener Treibstoff in Brand und es kommt zu einer schweren Explosion; das Schiff gerät außer Kontrolle. Die Crew verlässt es und begibt sich in Raumanzügen ins All, um auf eine kleine orbitale Versorgungsstation umzusteigen. Commander Blake wird beim Versuch, das Modul zu erreichen, abgetrieben und befiehlt den anderen, ihn zurückzulassen. Terri weigert sich und versucht ihn trotzdem zu retten. Da er weiß, dass sie den Versuch nicht überleben würde, nimmt er seinen Helm ab und begeht so Selbstmord, um sie von diesem Versuch abzuhalten.

Den übrigen drei gelingt eine kontrollierte Landung. Als sie den roten Planeten erreichen, stellen sie fest, dass an der Unglücksstelle ein Strahlungssturm wütet, während nahe dem Basislager drei Gräber ausgehoben wurden. Luke Graham ist immer noch am Leben. Er hat im Gewächshaus der Anlage überlebt und erzählt ihnen, dass er mit Absicht von der Unglücksstelle in der Cydonia-Region ferngehalten wurde, an der sich das „Marsgesicht“ befindet, das von jeher Grund vieler Spekulationen über Leben auf dem roten Planeten ist.

Die Astronauten erkennen, dass die Audiosignale, die das mittlerweile freigelegte Gesicht ausstrahlt, eine grafische Darstellung eines DNA-Strangs ergeben. Sie fügen der Sequenz das fehlende Chromosomenpaar hinzu und übertragen sie. Das monumentale Gesicht beginnt sich daraufhin zu öffnen und offenbart ein technologisch hochentwickeltes Inneres. Jim, Luke und Terri stoßen auf eine holografische Aufzeichnung eines außerirdischen Wesens, das ihnen die gemeinsame Geschichte ihrer Spezies enthüllt:

Einst war der Mars von vielen Lebewesen und einer hochentwickelten Zivilisation bevölkert, bis ein Meteoriteneinschlag das Ökosystem des Planeten zerstörte; die Marsianer flohen in Raumschiffen und hinterließen in den Urmeeren der Erde genetische Proben ihrer eigenen Welt. So entwickelte sich eine vielfältige Flora und Fauna, aus der schließlich die Menschen hervorgingen. Das Gesicht wurde auf dem sterbenden Mars zurückgelassen, damit diese eines Tages wieder mit ihren Vorfahren in Kontakt treten könnten.

Jim McConnell tut genau dies: Er reist mit einem bereitgehaltenen Sternenschiff den Marsianern hinterher, um seinen und Maggies Traum vom Kontakt zu anderen intelligenten Wesen zu verwirklichen. Die anderen machen sich auf den Heimweg und beobachten, wie ihn sein Schiff in eine ferne Galaxie trägt.