Действие фильма происходит в будущем (год не уточняется). Сэм Белл — астронавт-контрактник, подрядившийся на трехлетнюю одиночную вахту на лунном горнодобывающем комплексе компании «Лунар». Комплекс обеспечивает добычу изотопа гелий-3, с помощью которого удалось остановить катастрофический энергетический кризис на Земле. Сэм живёт на лунной базе «Саранг», которая расположена на обратной стороне Луны и на которой кроме него есть только робот по имени ГЕРТИ (голос Кевина Спейси). Прямой связи с Землёй у базы нет из-за повреждения лунного ретранслирующего спутника, поэтому обмен сообщениями с Землёй осуществляется через удалённые космические базы с большой задержкой. Время от времени Сэму приходят видеозаписи обращений его жены; на Земле его также ждёт маленькая дочь.
За две недели до окончания трёхлетней вахты Сэм начинает чувствовать неладное. У него начинается расстройство психики, вызванное длительным одиночеством. Когда в очередной раз Сэм отправляется забрать добытый изотоп из мобильного добывающего модуля, он видит галлюцинацию, отвлекается и попадает в аварию, столкнувшись с модулем…
Сэм приходит в себя в изоляторе (медицинском отсеке станции), но не помнит о произошедшей аварии. Подсмотрев прямой разговор робота с Землёй, он начинает подозревать, что его обманывают. Обманув ГЕРТИ и отправившись на место аварии, он находит луноход и в нём ещё живого своего абсолютного двойника, который утверждает, что именно он — настоящий Сэм Белл. Каждый из них пытается разобраться в этой непростой ситуации, но отношения у них не ладятся, что вскоре приводит к драке.
Постепенно, при участии запрограмированного на помощь людям ГЕРТИ и тщательного обыска станции на предмет тайников они выясняют, что оба они — клоны человека, который, по-видимому, живёт на Земле и чьи отредактированные воспомнинания внедрены в память клонов. На станции размещены анабиозные капсулы с клонами, которых пробуждают по одному каждые три года(или если предыдущий клон гибнет в аварии), а «старый», отслуживший свою вахту и исчерпавший свой ресурс клон, под предлогом возвращения на Землю уничтожается в замаскированном под крио-саркофаг инсинераторе. Два Сэма обследуют окрестности и обнаруживают, что прямая связь с Землёй не потеряна, а намеренно заглушается специальными устройствами на базах «Луна» с порядковыми номерами, размещённых вокруг обитаемой станции. Один из Сэмов выходит на прямую связь с Землёй и узнаёт, что «его» жена умерла, а родившейся, по его представлениям, три года назад дочери на самом деле уже 15 лет. При этом она живёт с отцом, который скорее всего и есть реальный Сэм Белл.
Под предлогом необходимости ремонта для харвестера,земная база высылает экспедицию «Элиза» (англ. Elise). Однако клонам уже известна истинная цель прибывающей команды, как и то, что если на базе обнаружится сразу два Сэма, их обоих тут же убьют, чтобы избежать утечки информации. В преддверии прибытия экспедиции, второй Сэм даёт ГЕРТИ команду оживить третьего клона, договаривается с первым Сэмом убить нового клона и вернуться на Землю транспортной ракетой, сам же он хочет остаться под видом единственного Сэма, подложив тело третьего клона в харвестер. Первый Сэм против убийства себе подобного и по мере ухудшения своего состояния понимает, что улететь должен второй Сэм. В итоге, третий клон Сэма активируется к работе, умирающего первого Сэма сажает обратно в сломанный луноход второй Сэм, который и летит на Землю. Перед полетом на Землю он успевает запрограммировать харвестер, так, что тот врезается в генератор помех и прямой выход в эфир с Землёй становится возможен. ГЕРТИ просит перегрузить его, так как хочет помочь Сэму — таким образом он потеряет в своей памяти события, связанные с тремя клонами, что позволить обеспечить некоторую безопасность для второго Сэма, который возвращается на Землю в ракете для доставки Гелия-3, яркой точкой пролетая мимо лунохода с умирающим Сэмом, к которому уже подбирается «Элиза».
На последних кадрах слышатся отрывки из передачи новостей с Земли, где в связи с разоблачениями прибывшего клона разгорается скандал и начинаются судебные разбирательства относительно злоупотребления клонированием со стороны компании «Лунар». Сам Сэм, который, как выясняется, клон №6, оказывается встречно обвинен руководством компании и в центре скандала.
0 
