“Sam Bell (Sam Rockwell) está llegando al final de su contrato con ‘Lunar Industries’, empresa que maneja una operación minera en el lado lejano de la luna. Utilizando máquinas de minería automatizadas, la compañía extrae Helio-3, un gas muy valioso que es la clave para revertir la crisis de la energía de la Tierra. Él ha sido un empleado fiel durante tres largos años. Su casa ha sido la base lunar Selene, donde ha pasado sus días de manera solitaria. Mientras se encuentra allí, Sam ha sido atendido por un equipo móvil denominado Gerty.
Aislado, decidido y firme, Sam ha seguido de manera obediente todas las reglas, y su tiempo en la luna ha sido enriquecedor, pero sin eventos notables. La soledad le ha dado tiempo para reflexionar sobre los errores de su pasado y para trabajar en su temperamento furioso. Hace su trabajo mecánicamente y pasa la mayor parte de su tiempo disponible soñando con su inminente regreso a la Tierra, pensando en su esposa, Tess, su joven hija, Eva, y la jubilación anticipada.
Sin embargo, dos semanas antes de su salida de Selene, Sam descubre que no puede comunicarse directamente con la Tierra porque el satélite de comunicaciones al parecer se ha roto. Sin embargo, sigue recibiendo mensajes grabados de Tess y Eva.
Una de las máquinas de minería se rompe y Sam va en un vehículo para repararlo. Él es distraído por una alucinación, que provoca que se accidentes con su rover, y sufre lesiones y heridas.
Un confuso y perplejo Sam se despierta en la enfermería, y Gerty le dice que ha estado inconsciente durante unos días y ha sufrido pérdida de memoria. Sam no le hace caso al aviso de Gerty y sale en el Rover, donde se encuentra a si mismo lesionado! Llamaremos al Sam herido, Sam 1.
Sam 2 lleva al herido Sam 1 de vuelta a la base, y los dos sospechan y se violentan pensando que el otro es un clon. Pero pronto se dan cuenta que ambos son clones. Y Gerty admite que se les ha dado recuerdos del original Sam.
Lunar Industries anuncia que está enviando una unidad de rescate para reparar el equipo dañado de minería, y los Sam’s se dan cuenta que parte de esa misión de rescate será para matarlos a ambos.
Sam 1, impulsado por una corazonada de Sam 2 y asistido por Gerty descubren una habitación llena de clones de Sam. Sam 2 deduce que la conexión con el satelite a la base está siendo bloqueada y que el satélite está pleno funcionamiento. Los dos Sam’s deciden ir fuera del perímetro de bloqueo, donde Sam 1 es capaz de ponerse en contacto con Eva, que ahora tiene 15 años de edad y no el bebé que Sam recuerda. Ella le dice que Tess ha muerto hace años.
Sam 2 se da cuenta que  Sam 1 se está deteriorando rápidamente, por lo que lo pone de nuevo en el vehículo (rover) que se estrelló para que tenga más posibilidades de que lo encuentre el equipo de rescate. Ya en la base, Sam 2 traslada un clon de Sam (Sam 3) a la enfermería, y Gerty está de acuerdo en borrar sus bancos de memoria de modo que no habrá ningún registro de lo que ha hecho Sam 2.
En los muelles de la unidad de rescate: Sam 3 despierta, Sam 2 despega en una nave de transporte, mientras que el agonizante Sam 1 lo ve partir hacia La Tierra.
La voz en off al final permite deducir que Sam 2 aterrizó en la Tierra y está denunciando las actividades de Lunar Industries.”