美国宇航局登陆火星的任务中，宇航员马克·沃特尼在一场沙尘暴中受伤，队员们以为他已经死了，于是飞船为了躲避风暴离开火星。

马克·沃特尼受伤后顽强地活了下来，然而他发现自己孤单地置身于异星球。面对贫乏的生命补给，马克必须用他的聪明才智和顽强的精神存活下来，并找寻向地球发出“他还活着”求救信号的方法，而地球上的人也面临着是否前往火星去拯救他的分歧。

虽然片名是《火星救援》，也是以营救为主线贯穿整个故事，但是，电影更多内容是讲述马克·沃特尼孤身一人在火星上生存下去的种种办法。