Para kru mengetahui bahwa badai mendekat. Intensitas badai dan angin kencang membuat Komandan Lewis memerintahkan pembatalan misi. Watney berdebat untuk menunggu dan mengangkat bagian belakang saat kru menuju MAV (Mars Ascent Vehicle), kapal yang akan membawa mereka kembali ke Hermes yang mengorbit, dengan pakaian luar angkasa mereka. Angin kencang dan hembusan pasir mengelilingi mereka. Parabola pecah dan menyerang Watney, membuatnya tidak terlihat oleh kru lainnya. Lewis mencoba membimbing yang lain untuk menemukan Watney, tetapi jarak pandang sangat buruk dan badai terlalu kuat bagi mereka. Mereka kembali ke MAV tanpa Watney dan lepas landas. Pilotnya, Martinez, nyaris tidak mampu menahan roket agar tidak jatuh, tetapi peluncuran dari planet ini berhasil.
Kembali ke Bumi, Direktur NASA Teddy Sanders (Jeff Daniels) mengadakan konferensi pers untuk mengumumkan bahwa sementara kru Hermes berhasil meninggalkan Mars, Mark Watney hilang, dan dia dinyatakan meninggal.
Watney bangun di Mars pada hari yang disebut Sol 21 (hari misi 21) setelah badai berlalu. Oksigennya menipis dengan cepat, jadi dia kembali ke stasiun habitat. Dia tertusuk oleh bagian antena, yang masih menancap diperutnya; kombinasi antena dan darahnya sendiri cukup untuk mencegah sebagian besar udaranya bocor keluar. Dalam prosedur yang menyakitkan, Watney menarik antena keluar, menggunakan forsep untuk mengeluarkan sepotong antena yang patah di luka, lalu menjepit luka.
Dia duduk untuk membuat video log, di mana dia menjelaskan situasinya: dia hidup, tapi dia tidak bisa menghubungi Earth atau Hermes; itu akan menjadi empat tahun sebelum misi berawak berikutnya diluncurkan; dan dengan persediaan makanan di habitat yang dimaksudkan untuknya dan lima anggota kru lainnya, dia memiliki makanan senilai hampir satu tahun, atau sedikit lebih lama jika dia menjatahnya. Oleh karena itu, Watney memutuskan bahwa ia harus menanam makanan selama tiga tahun di sebuah planet di mana tidak ada yang tumbuh. Beruntung baginya, dia seorang ahli botani dan menyusun rencana untuk menanam kentang.
Di NASA di Houston, Texas, Sanders baru saja kembali dari upacara peringatan untuk Mark Watney, di mana dia berbicara tentang dedikasi Watney untuk eksplorasi. Direktur Misi Mars Vincent Kapoor (Chiwetel Ejiofor) berbicara dengan Sanders tentang mendapatkan waktu satelit untuk menemukan tubuh Watney. Sanders menolak dengan alasan bahwa umpan satelit bersifat publik dan menyiarkan gambar mayat Watney akan menjadi bencana politik dan anggaran bagi NASA. Kemudian, insinyur Mindy Park (Mackenzie Davis) bertemu dengan Kapoor setelah dia menemukan bukti aktivitas di foto satelit dari situs Ares III (gambar resolusi rendah tampaknya diambil dalam penerbangan rutin): panel surya telah dibersihkan dan rover telah pindah. Mereka membawa Sanders dan Direktur Hubungan Media Annie Montrose (Kristen Wiig) untuk menunjukkan kepada mereka bahwa Watney masih hidup.
Beberapa sol (hari Mars) kemudian, di dalam habitat, Watney telah menanam kentang menggunakan tanah Mars dan paket kotoran kru yang disegel vakum sebagai pupuk (dengan jijik). Membutuhkan lebih banyak air untuk tanaman kentang, dia membakar bahan bakar roket hidrazin; produk sampingan dari reaksi adalah air. Pada upaya pertamanya untuk menyalakan hidrazin, menyebabkan ledakan sedang, menghanguskan pakaian dan rambutnya. Watney mencatat bahwa kecenderungan eksplosif ini adalah alasan mengapa NASA tidak menggunakan hidrogen murni. Saat dia terus mengerjakan persediaan makanannya, dia melanjutkan dengan rekaman video dan memutuskan untuk menggunakan penjelajah untuk mencapai kawah Schiaparelli yang akan menjadi tempat pendaratan Ares IV dalam empat tahun. Karena penjelajah bertenaga baterai tidak dapat menempuh seluruh jarak, ia memodifikasinya, menambahkan sel surya dan baterai ekstra. Untuk menghemat daya baterai, pod plutonium yang digunakan untuk membawa kru ke Mars di pesawat ruang angkasa asli mereka berfungsi sebagai sumber panas di kabin.
Watney menggunakan rover untuk menemukan probe Pathfinder yang berhenti mentransmisikan pada tahun 1997; dia berharap bisa menggunakannya untuk berhubungan dengan NASA. Dia menggali probe lama dari pasir, menyebarkan panel surya untuk mengisi baterai, dan menemukan bahwa itu masih berfungsi. Menggunakan tanda-tanda tulisan tangan untuk kamera Pathfinder, dia dapat mengirim pesan ke NASA yang mengkonfirmasi bahwa dia masih hidup. Kapoor dapat menerima pesan tersebut karena dia dan rekan-rekannya di Jet Propulsion Lab (JPL), yang membangun Pathfinder, telah mengeluarkan Pathfinder lain dari penyimpanan, mengumpulkan para insinyur yang mengerjakannya, dan membuatnya bekerja kembali. Mereka berhasil berkomunikasi dengan Watney, pertama dengan menggeser kamera Mars Pathfinder untuk menunjuk pada tanda 'ya' atau 'tidak' ketika Watney bertanya apakah sinyalnya diterima, dan kemudian dengan menggeser di sekitar jam heksadesimal yang telah digores Watney di tanah di sekitar Pathfinder-nya. NASA menggunakan sistem ini untuk memberitahunya cara meretas sistem operasi rover sehingga dapat mengirimkan teks kembali ke Bumi. Ketika Watney, akhirnya bisa mengetik pesannya dengan gaya obrolan, bertanya bagaimana kru Hermes menerima berita bahwa dia tidak mati, Kapoor dengan menyesal mengatakan kepadanya bahwa kru belum diberi tahu. Watney menanggapi dengan kata-kata kotor (yang disiarkan ke seluruh dunia).
Kisah Watney menjadi sensasi di seluruh dunia. Komunikasinya dengan NASA dicatat, dan atas permintaan Direktur Humas Annie Montrose, dia menggunakan kamera Pathfinder untuk mengambil selfie dengan pakaian luar angkasa (dalam pose Fonzie dua jempol) yang tidak disukai Montrose karena dia tidak dapat melihat wajah nya. Kapoor mengingatkannya bahwa Mark tidak bisa melepas helmnya di dekat kamera, yang berada di luar HAB.
Sementara itu, kru kapal Hermes telah menghabiskan beberapa bulan terakhir dengan tenang terbang kembali ke Bumi sambil tetap berhubungan dengan orang yang mereka cintai. Direktur penerbangan Ares III, Mitch Henderson (Sean Bean), menghubungi kru dan memberi tahu mereka bahwa Watney masih hidup, dan bahwa NASA telah menyembunyikannya dari mereka selama dua bulan terakhir agar tidak mengalihkan perhatian mereka dari misi mereka. Berita itu hanya membuat mereka marah dan merasa bersalah, tetapi Henderson memberi tahu mereka bahwa Watney telah berulang kali menekankan bahwa itu bukan kesalahan mereka dan mereka punya alasan untuk percaya bahwa dia sudah mati.
Orang-orang di NASA menentukan bahwa mereka dapat mencapai Watney dengan Sol 868. Makanan yang dia tanam ditambah jatah di HAB akan habis sedikit lebih dari 900 hari. Sanders khawatir margin kesalahannya terlalu kecil.
Kembali ke Mars, keadaan mulai memburuk bagi Watney ketika airlock yang sudah usang di habitatnya terdekompresi dan meledak, melemparkan airlock agak jauh saat dia berada di dalamnya dan menyebabkan helmnya retak dan bocor. Dia menggunakan lakban untuk menutup retakan dan tersandung kembali ke habitatnya untuk menemukan tanaman kentangnya beku dan mati. Dengan lebih sedikit makanan, dia sekarang memperkirakan dia hanya bisa bertahan sedikit lebih dari 300 Sol, atau sedikit lebih lama jika dia menjatahnya
NASA dan JPL bekerja lembur dan dengan cepat meluncurkan penyelidikan untuk pasokanWatney. Untuk membuat jendela peluncuran mereka, mereka melewati pemeriksaan rutin, dan beberapa saat setelah peluncuran, lintasan probe bergeser parah dan membelok keluar jalur dan meledak. Sementara itu di China, dua direktur dari Badan Antariksa Nasional China, Zhu Tao (Chen Shu) dan Guo Ming (Eddy Ko), menyaksikan ledakan tersebut dan berdiskusi untuk membantu NASA dengan menawarkan teknologi roket pendorong rahasia mereka untuk meluncurkan kapal suplai. Guo Ming bertanya kepada Zhu Tao mengapa NASA belum meminta bantuan mereka dan Zhu Tao mengingatkannya bahwa itu adalah program rahasia yang tidak akan diketahui oleh NASA. Mereka memutuskan bahwa untuk kepentingan kerjasama ilmiah internasional, mereka akan menghubungi NASA dan menawarkan roket pendorong mereka.
Rich Purnell (Donald Glover) seorang astrodinamika yang eksentrik dan pelupa tetapi brilian, menyusun rencana untuk mempercepat Hermes yang kembali mengelilingi Bumi, mendapatkan dorongan gravitasi dan mengirimkannya kembali ke Mars untuk mendapatkan Watney. Roket China akan memasok Hermes untuk perjalanan panjangnya. Sanders memveto rencana ini karena mempertaruhkan nyawa lima anggota kru Hermes dan akan memperpanjang misi mereka selama ratusan hari, tetapi Henderson diam-diam mengirimkan rencana dan perhitungan kursus Purnell kepada kru. Para kru membicarakannya; mereka mengerti bahwa kedatangan rencana itu secara diam-diam berarti bahwa petinggi NASA telah menolak gagasan itu. Mereka berasumsi bahwa jika mereka kembali ke Mars, dua anggota militer, Lewis dan Martinez, akan diadili di pengadilan militer karena pemberontakan dan tiga warga sipil tidak akan pernah diizinkan untuk terbang misi lain. Lewis menyerukan pemungutan suara dengan suara bulat, dan mereka semua setuju untuk kembali ke Watney. Johanssen meretas komputer Hermes untuk mencegah NASA mengambil kendali dan mereka mengubah arah, mengirim pesan samar ke Houston:
Sanders marah dengan Henderson, yang dia anggap mengirim rencana itu ke Hermes. Henderson tidak menyangkal, tetapi juga tidak mengkonfirmasi tindakannya. Sanders menjelaskan bahwa prioritasnya adalah agar NASA tetap terbang, tetapi Kongres sangat sensitif terhadap opini publik dan publisitas buruk yang akan terjadi jika rencana Purnell gagal kemungkinan akan mengurangi anggaran NASA untuk tahun-tahun mendatang. Dia meminta pengunduran diri Henderson saat misi selesai. Kemudian dia terpaksa mengumumkan bahwa NASA mengirim Hermes kembali ke Mars untuk menyelamatkan Watney.
Tujuh bulan berlalu di Mars. Watney telah kehilangan banyak berat badan, telah menumbuhkan banyak rambut wajah, dan giginya membusuk. Dia mulai kehilangan harapan dalam kelangsungan hidup dan penyelamatannya. Dia merekam log video yang meminta Komandan Lewis untuk memberi tahu orang tuanya tentang nasibnya. NASA mengiriminya instruksi untuk membuat modifikasi ekstensif pada rover. Dia mengemasi rover dan meninggalkan situs Ares III; setelah menghabiskan 461 sol di sana; dan menuju Ares IV MAV, yang dijatuhkan di Mars jauh sebelum misi Ares IV. Ini adalah perjalanan sejauh 3.200 kilometer melintasi lanskap Mars yang tidak memiliki jalur dan tidak ramah. Dia berhenti setiap hari selama 13 jam untuk tidur dan mengisi ulang baterai rover dengan panel surya. Selama perjalanannya, ia mengklaim bahwa Mars adalah tanah bajakan secara hukum; yaitu, tunduk pada hukum maritim karena tidak dapat diklaim oleh negara mana pun di Bumi. Karena dia belum mendapatkan izin eksplisit dari NASA untuk mengambil MAV, dan tidak bisa mendapatkan izin sampai setelah lepas landas, menguasai MAV akan membuatnya menjadi bajak laut luar angkasa. Dia ingin dipanggil "Kapten Blondbeard." Mark juga memberi peringatan tentang bagaimana dia orang pertama yang melihat lanskap Mars yang dia lewati dan tampaknya cukup kagum akan hal itu.
Setelah Hermes telah melintas di sekitar Bumi dan mengumpulkan persediaan, mereka melakukan perjalanan kembali ke Mars. NASA dan seluruh dunia menonton dengan antisipasi; dengan penundaan 12 menit, tidak ada seorang pun di Bumi yang dapat membantu. Watney harus memindahkan 5000 kg berat dari MAV agar cukup ringan untuk mencapai orbit Hermes. Dia membuang sebagian besar kursi, semua sistem navigasi dan kontrol, dan mengganti airlock hidung-kerucut, bagian struktural penting dan komponen terberat tunggal, dengan terpal.
Martinez, menerbangkan MAV dengan remote control, meluncurkan Watney ke orbit. MAV muncul terlalu rendah untuk mencapai pesawat ruang angkasa Hermes. Vogel membangun bahan peledak gula dan oksigen yang dibuat dengan cepat untuk meledakkan palka depan dan menyebabkan udara yang keluar memperlambat kapal besar itu sehingga mereka dapat menyamai kecepatan dan masih sampai ke Watney. Lewis sendiri memutuskan untuk menggunakan setelan EVA MMA dengan tali untuk mencapai Watney, tetapi dia tidak bisa cukup dekat. Watney menusuk telapak tangannya untuk mendorong dirinya ke arah Lewis dengan udara yang keluar. ("Seperti Ironman!" katanya dengan gembira.) Dia memiliki sedikit kendali, jadi dia melakukannya. Namun, dia melaju terlalu kencang, yang menyebabkan momentumnya berputar di sekitar dirinya dan Lewis, dan kru dapat menarik mereka masuk. Lewis mengumumkan kepada NASA bahwa mereka menangkap Watney, dan orang-orang di seluruh dunia bersorak. (Kerumunan telah berkumpul di Houston, Times Square, Beijing, dan di tempat lain, dengan cemas menunggu untuk mendengar apakah penyelamatan berhasil.) Para kru memeluk Watney dan bercanda tentang bau busuk akibat kurangnya mandi selama berbulan-bulan.
Kembali ke Bumi sekitar satu tahun kemudian, Watney memulai Hari 1 sebagai instruktur untuk calon astronot. Dia memberi tahu mereka tentang perjuangannya di Mars, membenarkan bahwa dia memang menanam makanan menggunakan kotorannya sendiri dan dengan lucu mengatakan dia tidak ingin membahas aspek misi itu lagi. Dia mengatakan kepada mereka bahwa mereka dapat menerima nasib mereka atau mulai memecahkan masalah, karena itulah cara Anda bertahan hidup; dengan mengatasi satu demi satu masalah.
Selama kredit penutup, kita melihat karakter bertahun-tahun kemudian saat mereka menonton peluncuran Ares V, di mana Martinez adalah komandannya. Kapoor, Montrose, Park, dan Sanders menonton dari NASA bersama dengan Guo Ming & Zhu Tau. Henderson sudah pensiun dan bermain golf dengan putranya. Lewis menonton di rumah bersama suaminya, sementara Vogel di rumah bersama keluarganya. Beck dan Johanssen telah menikah dan menonton dari rumah sakit dengan bayi baru mereka.
