太陽のエネルギーが奪われるという原因不明の異常現象が発生。このままでは地球は冷却し、人類は滅亡する。この危機に世界中の叡智が集結して調査した結果、同じ現象が太陽だけではなく、宇宙に散らばる無数の恒星で起こっていることがわかる。そして、11.9光年先に唯一無事な星が発見される。人類に残された策は、宇宙船でその星に向かい、太陽と人類を救うための謎を解くことだった。この“ヘイル・メアリー（イチかバチか）”のプロジェクトのため宇宙に送り込まれたのは、しがない中学の科学教師グレースだった。彼は地球から遠く離れた宇宙でたったひとり、自らの科学知識を頼りに奮闘するが、そこで思いがけない出会いが待ち受けていた。