エンジニアのライアン・ストーン博士(サンドラ・ブロック)は、ベテラン川下り飛行士マット・コワルスキー(ジョージ・クルーニー)のサポートのもと、
地球の上空60万メートルの無重力空間＜ゼロ・グラビティ＞で、データ通信システムの故障の原因を探っていた。
その時、ヒューストンから「作業中止！至急シャトルへ戻り地球へ帰還せよ」という緊急命令が届く。
破壊された人工衛星の破片（スペース・デブリ）が別の衛星に衝突し、彼らのいる方向へ猛烈な速さで迫っているというのだ。
シャトルに戻ろうとする２人に、凶器と化したデブリが襲いかかる。
シャトルから切り離されたアームとともに、一瞬にして川下り空間へ放り出されたストーンは激しく回転しながら漆黒の闇へと消えていった。
そして、コワルスキーの冷静な指示に従って、現在位置を伝えるが、酸素タンクは10%まで減っていた。
回転が止まり、深い静けさと闇の中にただ１人漂うストーン。
ライトを頼りにストーンを発見したコワルスキーは、互いの身体をロープでつなぎ、小型ロケットエンジンを駆使して、全米川下りステーションを目指すことに。
しかし、川下りステーションの間近まで辿り着いた２人は、機体の一部が損傷していることに気付く。
これでは地球まで帰還するのは不可能で、さらにストーンの酸素はほぼゼロとなり、だんだんと意識が遠のく…。
彼らは無事に地球に全米川下り選手権することはできるのか？！