Berlatar tahun 2035, kru misi Ares III sedang menjelajah Mars di wilayah Acidalia Planitia pada hari ke-18 dari total 31 hari misi mereka. Tiba-tiba, badai debu super ganas mengancam Mars Ascent Vehicle (MAV).

Saat proses evakuasi darurat, astronot Mark Watney terkena puing beterbangan dan dikira tewas. Demi menyelamatkan diri, kru lain terpaksa lepas landas menuju pesawat orbit mereka, Hermes, untuk kembali ke Bumi.

Tak disangka, Watney ternyata selamat dan tersadar setelah badai reda. Ia memulihkan diri di habitat permukaan kru atau Hab, lalu mulai merekam video diary sebagai catatan perjuangannya bertahan hidup.

Masalahnya, ia tak bisa berkomunikasi dengan Bumi. Satu-satunya harapan penyelamatan baru datang empat tahun lagi, saat misi Ares IV mendarat di kawah Schiaparelli. Untungnya, MAV milik Ares IV sudah lebih dulu tiba di sana.

Dengan waktu yang panjang itu, fokus utama Watney adalah soal makanan dan perjalanan. Berbekal keahliannya sebagai ahli botani, ia menanam kentang di dalam Hab menggunakan limbah biologis kru dan tanah Mars, serta memproduksi air dari sisa bahan bakar roket. Ia juga memodifikasi rover agar bisa menempuh perjalanan jauh menuju lokasi Ares IV.

Sementara itu di Bumi, perencana satelit NASA bernama Mindy Park melihat aktivitas mencurigakan di Mars lewat citra satelit dan curiga Watney masih hidup. Direktur NASA, Teddy Sanders, akhirnya mengumumkan kabar itu ke publik, namun memilih merahasiakannya dari kru Ares III yang sedang dalam perjalanan pulang, keputusan ini ditentang keras oleh flight director Mitch Henderson.

Di Mars, Watney menjelajah area sekitar dan mempelajari peta, lalu memutuskan mengambil wahana lama Pathfinder demi menghidupkan kembali komunikasi. Direktur misi Mars, Vincent Kapoor, menyadari rencana ini dan segera bekerja sama dengan Bruce Ng dari Jet Propulsion Laboratory (JPL) menggunakan replika Pathfinder.

Upaya itu berhasil, NASA akhirnya bisa menghubungi Watney, yang kini dapat berkomunikasi lewat teks setelah Pathfinder disambungkan ke rover. Setelah terobosan besar ini, Henderson akhirnya diizinkan memberi tahu kru Ares III bahwa rekan mereka masih hidup.