Ad Astra, also zu den Sternen, soll Roy McBride (Brad Pitt) reisen - konkreter: zum Planeten Neptun. Auf einer Weltraummission dorthin ist nämlich sein Vater (Tommy Lee Jones) vor 20 Jahren spurlos verschwunden, als er sich auf den Weg machte, um Anzeichen außerirdischer Lebewesen zu untersuchen. Nun begibt sich der leicht autistische McBride, der mittlerweile selbst als Ingenieur für die NASA arbeitet, ebenfalls auf eine Reise durch das Sonnensystem. Er will die nie gelöste Frage aufklären, was damals geschah und warum die Mission seines Vaters scheiterte.