Сэм Белл, одинокий работник корпорации Lunar Industries, дожидается окончания трехлетнего контракта на лунной базе «Саранг». Его задача проста и однообразна: добывать изотоп гелий-3, жизненно важный источник энергии для землян, и отправлять его на Землю автоматическими шаттлами. Единственным его компаньоном на базе является GERTY 3000, дружелюбный и немногословный компьютер. Сэм изнывает от тоски по дому, по своей жене Тесс и маленькой дочери Ив, с которыми он общается лишь посредством записанных сообщений.
За две недели до окончания контракта Сэм начинает испытывать странные головные боли и галлюцинации. Во время очередного выезда на лунном комбайне он теряет сознание и попадает в аварию. Когда он приходит в себя в лазарете базы, GERTY сообщает ему, что он попал в аварию, но его вовремя спасли. Однако вскоре после этого Сэм обнаруживает в одной из секций базы… самого себя, живого и невредимого, но находящегося в стазис-камере. Он узнает в нем свою точную копию, еще одного Сэма Белла.
Первоначально между клонами возникает недоверие и конфликт. Они пытаются выяснить, кто из них настоящий, кто находится на Луне дольше, кто обладает «подлинными» воспоминаниями. GERTY, запрограммированный на оказание помощи обоим Сэмам, пытается сгладить острые углы. Постепенно, разбираясь в происходящем и сравнивая воспоминания, клоны начинают осознавать ужасную правду: они - не Сэм Белл, они - клоны, используемые Lunar Industries для дешевой и бесперебойной работы на Луне. Их воспоминания об Ив, Тесс и доме – искусственно внедренные, предназначенные для поддержания мотивации и психического здоровья.
Оба Сэма с ужасом осознают, что после трех лет работы их просто заменят новым клоном, а старого «утилизируют». Они решают объединиться и раскрыть правду о деятельности Lunar Industries. Они узнают, что настоящий Сэм Белл (оригинал) жив и здоров, живет на Земле и даже не подозревает о существовании этих клонов. Один из Сэмов приходит к выводу, что Тесс, возможно, уже умерла, судя по устаревшим сообщениям, которые он получал.
Один из клонов решает остаться на Луне, чтобы попытаться доказать существование клонов после прибытия команды Lunar Industries. Он также перепрограммирует GERTY, чтобы тот продолжал поддерживать будущих клонов. Второй клон решает вернуться на Землю, чтобы рассказать правду об эксплуатации Lunar Industries и найти дочь "оригинала" Сэма, Ив. Он отправляет себя в спасательной капсуле обратно на Землю, надеясь, что ему поверят. Фильм заканчивается кадрами новостных репортажей, в которых сообщается о расследовании деятельности Lunar Industries после того, как клон Сэма был обнаружен возле Земли.