Lors d'une mission habitée sur Mars, le botaniste et ingénieur Mark Watney est laissé pour mort par son équipage après une violente tempête de sable qui contraint ses coéquipiers à évacuer précipitamment la planète. Pourtant bien vivant mais grièvement blessé, Watney se retrouve seul sur Mars, sans aucun moyen de communiquer avec la Terre et avec des vivres insuffisantes pour tenir jusqu'à l'arrivée d'une éventuelle mission de secours. Refusant de céder au désespoir, il met à profit ses compétences scientifiques pour cultiver des pommes de terre dans l'habitat martien et trouver des solutions ingénieuses à chaque obstacle qui se dresse devant lui. Pendant ce temps, la NASA et ses anciens coéquipiers unissent leurs efforts pour élaborer un improbable plan de sauvetage à travers des millions de kilomètres d'espace.