I den nærmeste fremtid står Jorden over for alvorlige miljøproblemer, herunder afgrødeskader og udbredt tørke, som truer menneskehedens overlevelse. En gruppe astronauter ledet af Cooper, en tidligere NASA-pilot, bliver sendt på en mission gennem et ormehul nær Saturn for at lede efter en ny beboelig planet for menneskeheden.
Cooper rejser sammen med forskerne Amelia Brand, Romilly, Doyle og TARS (en sansende robot) gennem ormehullet og opdager adskillige potentielt beboelige planeter. De gennemgår forskellige udfordringer, herunder tidsudvidelse, som får dem til at opleve forskellige mængder tid sammenlignet med Jorden. Cooper konfronterer også personlige kampe, mens han kæmper med muligheden for, at han måske aldrig vil se sine børn igen.
Mens astronauterne udforsker forskellige planeter, møder de forskellige fænomener, herunder isverdener, vandverdener og en planet med ekstrem tidsudvidelse. De opdager også beviser for en tidligere menneskelig civilisation, der havde nået et avanceret teknologiniveau. Til sidst befinder Cooper sig i en tesserakt, et femdimensionelt rum-tidskontinuum, hvor han overværer begivenheder fra sin egen fortid og nutid.
Gennem vejledningen af en fremtidig version af Murph, Coopers datter, der blev på Jorden, indser han, at formålet med missionen ikke kun er at finde en ny planet, men også at overskride begrænsningerne i den menneskelige eksistens og opnå evnen til at manipulere tyngdekraften. Cooper bruger sin nyfundne viden til at manipulere tesseracten og sender en besked til Murph, der gør det muligt for menneskeheden at overleve på Jorden.
Interstellar udforsker temaer om kærlighed, familie, ofre, videnskabelig udforskning og naturen af tid og rum. Den kombinerer science fiction-elementer med følelsesladet historiefortælling og præsenterer en kompleks og tankevækkende fortælling.