In de nabije toekomst wordt de aarde geconfronteerd met ernstige milieuproblemen, waaronder gewasziekte en wijdverbreide droogtes, die het voortbestaan van de mensheid bedreigen. Een groep astronauten onder leiding van Cooper, een voormalige NASA-piloot, wordt op een missie gestuurd door een wormgat nabij Saturnus om te zoeken naar een nieuwe bewoonbare planeet voor de mensheid.
Cooper reist samen met wetenschappers Amelia Brand, Romilly, Doyle en TARS (een bewuste robot) door het wormgat en ontdekt verschillende potentieel bewoonbare planeten. Ze ondergaan verschillende uitdagingen, waaronder tijddilatatie, waardoor ze een andere hoeveelheid tijd ervaren dan op aarde. Cooper wordt ook geconfronteerd met persoonlijke worstelingen terwijl hij worstelt met de mogelijkheid dat hij zijn kinderen misschien nooit meer zal zien.
Terwijl de astronauten verschillende planeten verkennen, komen ze verschillende verschijnselen tegen, waaronder ijswerelden, waterwerelden en een planeet met extreme tijdsdilatatie. Ze ontdekken ook bewijs van een eerdere menselijke beschaving die een geavanceerd technologisch niveau had bereikt. Uiteindelijk komt Cooper terecht in een tesseract, een vijfdimensionaal ruimte-tijd continuüm, waar hij getuige is van gebeurtenissen uit zijn eigen verleden en heden.
Door de begeleiding van een toekomstige versie van Murph, de dochter van Cooper die op aarde bleef, realiseert hij zich dat het doel van de missie niet alleen is om een nieuwe planeet te vinden, maar ook om de beperkingen van het menselijk bestaan te overstijgen en het vermogen te verwerven om de zwaartekracht te manipuleren. Cooper gebruikt zijn nieuwe kennis om het tesseract te manipuleren en stuurt een bericht naar Murph, waardoor de mensheid op aarde kan overleven.
Interstellar onderzoekt thema's als liefde, familie, opoffering, wetenschappelijk onderzoek en de aard van tijd en ruimte. Het combineert sciencefiction-elementen met emotionele verhalen en presenteert een complex en tot nadenken stemmend verhaal.