Cuenta la historia de amor entre Cathy (Kendrick) y Jamie (Jordan) de forma paralela. Jamie es un joven y talentoso novelista que se enamora de Cathy, una actriz. Su historia se cuenta a través de las canciones pero en una línea de tiempo diferente: Cathy comienza al final de su matrimonio y va retrocediendo hasta el comienzo de su historia de amor. Jamie, por el contrario, comienza desde el inicio hasta llegar al final.
En el 2057, ante la inminente extinción de la humanidad a causa del envejecimiento del Sol, una nave espacial debe reactivar el astro con un dispositivo nuclear. Pero durante el viaje, la tripulación recibe una señal de socorro de la nave espacial Ícaro I, desaparecida años atrás tras intentar realizar la misma misión.
En el mundo del futuro, un régimen estricto ha eliminado las guerras al haber superado las emociones. Los libros, el arte y la música están totalmente prohibidos, y los sentimientos se consideran un crimen castigado con la pena de muerte. El clérigo John Preston (Christian Bale) es un agente de élite del gobierno, responsable de combatir aquellos que osen desafiar las reglas. Cuando pierde una dosis de "Prozium", una droga que altera la mente para ocultar sus emociones, toda su escala de valores cambiará de manera súbita.
