美國宇航局登陸火星的任務中，宇航員馬克·沃特尼在一場沙塵暴中受傷，隊員們以為他已經死了，于是飛船為了躲避風暴離開火星。

馬克·沃特尼受傷后頑強地活了下來，然而他發現自己孤單地置身于異星球。面對貧乏的生命補給，馬克必須用他的聰明才智和頑強的精神存活下來，并找尋向地球發出“他還活著”求救信號的方法，而地球上的人也面臨著是否前往火星去拯救他的分歧。

雖然片名是《火星救援》，也是以營救為主線貫穿整個故事，但是，電影更多內容是講述馬克·沃特尼孤身一人在火星上生存下去的種種辦法。