Le professeur de sciences Ryland Grace se réveille à bord d’un vaisseau spatial, à des années-lumière de la Terre, sans aucun souvenir de qui il est ni de la façon dont il est arrivé là. À mesure que sa mémoire lui revient, il commence à découvrir sa mission : résoudre l’énigme d’une mystérieuse substance qui provoque l’extinction du Soleil. Il doit faire appel à ses connaissances scientifiques et ses idées peu orthodoxes pour sauver toute vie sur Terre mais une amitié inattendue pourrait signifier qu’il n’aura pas à accomplir cette tâche seul.

Au cours d’une mission spatiale habitée sur Mars, et à la suite d’un violent orage, l’astronaute Mark Watney est laissé pour mort et abandonné sur place par son équipage. Mais Watney a survécu et se retrouve seul sur cette planète hostile. Avec de maigres provisions, il ne doit compter que sur son ingéniosité, son bon sens et son intelligence pour survivre et trouver un moyen d’alerter la Terre qu’il est encore vivant. À des millions de kilomètres de là, la NASA et une équipe de scientifiques internationaux travaillent sans relâche pour ramener « le Martien » sur terre, pendant que, en parallèle, ses coéquipiers tentent secrètement d’organiser une audacieuse voire impossible mission de sauvetage.