I nær fremtid står Jorden overfor alvorlige miljøproblemer, inkludert avlinger og utbredt tørke, som truer menneskehetens overlevelse. En gruppe astronauter ledet av Cooper, en tidligere NASA-pilot, blir sendt på et oppdrag gjennom et ormehull nær Saturn for å lete etter en ny beboelig planet for menneskeheten.
Cooper, sammen med forskerne Amelia Brand, Romilly, Doyle og TARS (en sansende robot), reiser gjennom ormehullet og oppdager flere potensielt beboelige planeter. De gjennomgår ulike utfordringer, inkludert tidsutvidelse, som får dem til å oppleve forskjellige mengder tid sammenlignet med jorden. Cooper konfronterer også personlige kamper mens han kjemper med muligheten for at han kanskje aldri vil se barna sine igjen.
Når astronautene utforsker forskjellige planeter, møter de forskjellige fenomener, inkludert isverdener, vannverdener og en planet med ekstrem tidsutvidelse. De oppdager også bevis på en tidligere menneskelig sivilisasjon som hadde nådd et avansert teknologinivå. Etter hvert befinner Cooper seg i en tesserakt, et femdimensjonalt rom-tidskontinuum, der han er vitne til hendelser fra sin egen fortid og nåtid.
Gjennom veiledning av en fremtidig versjon av Murph, Coopers datter som ble på jorden, innser han at hensikten med oppdraget ikke bare er å finne en ny planet, men også å overskride begrensningene til menneskelig eksistens og få evnen til å manipulere tyngdekraften. Cooper bruker sin nyvunne kunnskap til å manipulere tesserakten og sender en melding til Murph, som gjør det mulig for menneskeheten å overleve på jorden.
Interstellar utforsker temaer som kjærlighet, familie, offer, vitenskapelig utforskning og naturen til tid og rom. Den kombinerer science fiction-elementer med emosjonell historiefortelling, og presenterer en kompleks og tankevekkende fortelling.