Луна 2112

Действие фильма происходит в недалёком будущем (2035 год). Сэм Белл — астронавт-контрактник, заканчивает трёхлетнюю одиночную вахту на лунном горнодобывающем комплексе компании «Лунар». Комплекс обеспечивает добычу гелия-3, с помощью которого удалось остановить катастрофический энергетический кризис на Земле. Сэм живёт на лунной базе «Саранг», которая расположена на обратной стороне Луны и на которой кроме него есть только робот по имени Герти (голос Кевина Спейси). Прямой связи с Землёй у базы нет из-за повреждения лунного ретранслирующего спутника, поэтому обмен сообщениями с Землёй осуществляется через удалённые космические базы с большой задержкой. Время от времени Сэму приходят видеозаписи обращений его жены; на Земле его также ждёт маленькая дочь.

За две недели до окончания трёхлетней вахты Сэм начинает чувствовать неладное. У него начинается расстройство психики, вызванное длительным одиночеством. Когда в очередной раз Сэм отправляется забрать добытый изотоп из работающего добывающего харвестера (мобильный заготовительный модуль), он видит галлюцинацию, отвлекается и попадает в аварию, столкнувшись с модулем.

Сэм приходит в себя в изоляторе (медицинском отсеке станции), но не помнит о произошедшей аварии. Подсмотрев прямой разговор робота с Землёй, он начинает подозревать, что его обманывают. Обманув Герти и отправившись на место аварии, он находит луноход и в нём ещё живого своего абсолютного двойника, который утверждает, что именно он — настоящий Сэм Белл. Каждый из них пытается разобраться в этой непростой ситуации, но отношения у них не ладятся, что вскоре приводит к драке.

Постепенно, при участии запрограммированного на помощь людям Герти и тщательного обыска станции на предмет тайников они выясняют, что оба они — клоны человека, который, по-видимому, был самым первым контрактником в комплексе и чьи отредактированные воспоминания внедрены в память клонов. На станции размещены анабиозные капсулы с клонами, которых пробуждают по одному каждые три года (или если предыдущий клон гибнет в аварии), а «старый», отслуживший свою вахту и исчерпавший свой ресурс клон под предлогом возвращения на Землю уничтожается в замаскированном под криосаркофаг инсинераторе. Два Сэма обследуют окрестности и обнаруживают, что прямая связь с Землёй не потеряна, а намеренно заглушается специальными устройствами на базах «Луна» с порядковыми номерами, размещёнными вокруг жилой станции.

Один из Сэмов выходит на прямую связь с Землёй и узнаёт, что «его» жена умерла, а родившейся, по его представлениям, три года назад дочери на самом деле уже 15 лет. При этом она живёт с отцом, который, скорее всего, и есть реальный Сэм Белл.

Под предлогом необходимости ремонта харвестера земная база высылает экспедицию «Элиза» (англ. Eliza). Однако клонам уже известна истинная цель прибывающей команды, как и то, что если на базе обнаружится сразу два Сэма, их обоих тут же убьют, чтобы избежать утечки информации. В преддверии прибытия экспедиции второй Сэм даёт Герти команду оживить третьего клона, договаривается с первым Сэмом убить нового клона и вернуться на Землю транспортной ракетой, сам же он хочет остаться под видом единственного Сэма, подложив тело третьего клона в аварийный луноход. Первый Сэм против убийства себе подобного и по мере ухудшения своего состояния понимает, что улететь должен второй Сэм.

В итоге, третий клон Сэма активируется к работе, второй Сэм сажает обратно в сломанный луноход умирающего первого Сэма, а сам летит на Землю. Перед полётом на Землю он успевает запрограммировать харвестер так, что тот врезается в генератор помех, и прямой выход в эфир с Землёй становится возможен. Герти просит перезагрузить его, так как хочет помочь Сэму — таким образом он потеряет в своей памяти события, связанные с тремя клонами, что позволит обеспечить некоторую безопасность для второго Сэма, который возвращается на Землю в ракете для доставки гелия-3, яркой точкой пролетая мимо лунохода с умирающим Сэмом, к которому уже подбирается спецназ «Элиза».

На последних кадрах слышатся отрывки из передачи новостей с Земли, где в связи с разоблачениями прибывшего клона разгорается скандал и начинаются судебные разбирательства относительно злоупотребления клонированием со стороны компании «Лунар».