火星で探索中に嵐に巻き込まれ、飛んで来た物にぶつかり吹き飛ばされたワトニー。彼の宇宙服が損傷したシグナルもあり、クルーは彼が死んだものとみなして、船長の苦渋の決断のもと、彼を置き去りにして火星を離れた。
しかしワトニーは生存しており、植物学者としての知恵を懲らして、基地の人糞を肥料にジャガイモの栽培を始めて食料を確保。さらに、以前のプロジェクトで用いられた機器を掘り起して、地球のNASA管制室とコンタクトを取る。
ワトニーの生存を知ったNASAは、その威信に懸けても彼を救出しなければならないが、大急ぎで打ち上げた無人食糧補給機は空中解体。ワトニーはワトニーで、施設の破損によってジャガイモが死滅させ、彼の生存可能日数が大幅に減る。
窮地に立たされたNASAは、火星から帰還中のクルーを地球に着陸させず、Uターンしながら加速させ、火星付近で、急ごしらえのロケットで宇宙空間に上がってきたワトニーをキャッチさせる。予想外のトラブルを地球全体の知恵で切り抜け、ワトニーは無事帰還した。
