メディカル・エンジニアであるライアン・ストーン博士（サンドラ・ブロック）は、ベテラン宇宙飛行士マット・コワルスキー（ジョージ・クルーニー）のサポートのもと、地球の上空60万メートルの無重力空間〈ゼロ・グラビティ〉で、データ通信システムの故障の原因を探っていた。これが最後のミッションとなるコワルスキーは、いつものようにヒューストンとの通信でジョークを交わし、宇宙遊泳を楽しんでいた。その時、ヒューストンから「作業中止！至急シャトルへ戻り、地球へ帰還しろ！」という緊迫した命令が届く。
破壊された人工衛星の破片（スペース・デブリ）が別の衛星に衝突して新たなデブリが発生し、彼らのいる方向へ猛烈な速さで迫っているというのだ。さらに連鎖反応で衛星が次々と破壊され、様々なシステムが壊滅し、ヒューストンとの通信も途絶えてしまう。シャトルに戻ろうとするふたりに、凶器と化したデブリが襲いかかった！シャトルから切り離されたアームとともに、一瞬にして宇宙空間へ放り出されるストーン。ベルトを外して何とかアームから離れるが、激しく回転しながら漆黒の闇へと消えていく。
果たしてふたりは生きて地球へ帰り、再びその足で大地を踏むことができるのか──？