二十一世纪中叶，地球资源愈发匮乏，国际局势日趋紧张，核战争一触即发。为了挽救人类文明，美国政府启动了一个秘密项目——火星超人计划，决定将人类送上火星定居。为了能在火星上生存下去，该项目的志愿者必须被改造成赛博格，即半机械人。由于前任志愿者遭遇意外事故，宇航员罗杰·托洛维不得不临时顶替上任。在被改造的过程中，托洛维的身体越来越不像人类，生理和心理的双重考验让他备受煎熬。人类岌岌可危的命运能否改变，取决于他最后能否成功登陆火星。