以下含劇情透露。
偌大的月球能源採集基地裡頭，僅有Sam一人獨自工作，吃飯，洗澡，唯一能夠談話的對象是機器人Gerty。偶有來自家鄉─地球的妻子的訊息影像排解寂寞。配樂清冷疏離，滿是坑洞的月球景象，隱隱然的透露出驚悚。
Sam與公司簽下三年期間工作合約，僅剩兩週便能回家，卻在工作時發生事故。醒來後人已身在基地裡的醫療室，基地裡卻出現另一個外觀和自己相仿的陌生人，對方甚至也自稱是Sam (姑且叫他二號Sam)，而二號說自己與Sam只是眾多Sam裡的其中兩個。Sam原來是複製人。
Sam起先不願相信這個事實。但和二號在基地裡發現了許多具Sam的肉體，有體無魂。經詢問之下，Gerty透漏，Sam與二號確實是複製人，是以真正的Sam(早已回地球)為範本所製造出來的。記憶中的女兒已長大，妻子已死。
這些被複製出來的Sam都被賦予原型Sam相同的記憶，包括地球的妻女以及簽下三年期間的工作合約。而每當三年期限將至，複製人Sam的身體就會急速敗壞死去，Gerty便會從早已準備好的眾多Sam裡頭，選出一人並給予生命及記憶，重新輪迴三年的工作使命。
發生事故時，Gerty以為Sam已經亡故，所以喚醒了二號，沒料到二號卻無意救回了Sam，於是基地裡有兩個Sam。 這時正好公司派人從地球來維修在事故中毀損的機器，兩個Sam料想自己知道了公司的秘密，很有可能會被滅口。
於是二號心生一妙計。請Gerty喚醒第三個Sam，把三號Sam放在事故地點去代替Sam，讓Sam搭乘寄送月球能源的太空梭回地球探看想念已久的妻女(儘管是複製的回憶)，自己則繼續在基地裡工作，一切便看似正常。
在最後關頭，Sam卻反悔了，覺得自己現在這樣去見女兒肯定會嚇死女兒(三年肉身保存期限將屆，看起來既蒼老又衰弱)。於是裝死，二號以為Sam已死，於是更改計劃。把Sam的屍首放回事故發生處，讓三號代替自己，自己乘船回地球。
在最後一幕中，地球來的人馬來到事故發生處探看，打開損壞的機器艙蓋，看見Sam在裡頭，便以為Sam已死。地球人馬蓋上艙蓋，掉頭離開那一際，Sam在機器殘骸裡張開雙眼，眼神清亮。看見月球上一艘太空梭往地球飛去。
電影開頭隱約感得到基地背後大有文章，到中段謎團解開，原有的驚悚感推演成無限輪迴接近於薛西佛斯式的荒謬恐怖。至後段感受到的是三個角色(Sam、二號、Gerty)動人的溫柔。
Gerty違抗公司指令，幫助兩個Sam。在二號逃脫時，甚至設想到自己已經紀錄下全部過程，要二號幫他重啟程式，以免被公司察覺。至此Gerty已經超越遵守指令的機器性，他(這裡絕對要用“他”來稱呼Gerty)擁有屬於自我美善的意志。
二號設法讓Sam回地球，Sam卻裝死，大概是想讓二號回地球才這麼做，因為他太清楚三年孤獨工作、記憶的幻滅，等死的苦。最後瀕臨死亡的Sam在機器殘骸裡看著二號搭乘的太空梭飛往地球。在肉體的保存期限來臨為止，終究免不了寡活，等死，他願意為二號這麼做。這個結局比什麼都傷感又溫柔，非常動人。
