Project Hail Mary sigue a Ryland Grace, un tranquilo profesor de ciencias convertido en astronauta que despierta solo a bordo de una nave espacial sin recordar quién es ni cómo llegó allí. A medida que recupera lentamente sus recuerdos, descubre que fue enviado en una desesperada misión en solitario a un sistema estelar distante para encontrar el origen de un misterioso organismo que está drenando la energía del Sol, un fenómeno que, si no se detiene, provocará la extinción de la vida en la Tierra.

Lejos de su hogar y enfrentándose a probabilidades aparentemente imposibles, Grace realiza un descubrimiento extraordinario: un alienígena llamado Rocky, cuya estrella también está amenazada por el mismo problema. Juntos, a pesar de la barrera del idioma y de sus enormes diferencias biológicas, forjan una amistad inesperada y combinan sus conocimientos en una carrera contrarreloj para salvar ambos mundos.