Drie astronomen zitten opeengepakt in een auto die is afgeladen met wetenschappelijke apparatuur om de ruimte te observeren. Als één van hen een eigenaardig signaal opvangt, stuurt hij als antwoord een radiosignaal terug. Kort daarna ontvangt hij hetzelfde eigenaardige geluid nog eens. Het geluid lijkt een intelligente oorsprong te hebben. De drie zijn in eerste instantie sceptisch maar verliezen langzamerhand hun ongeloof.
In de nabije toekomst hebben wetenschappers en biologen via gentechnologie een plant gecreëerd. De zaadjes ervan zorgen ervoor dat in alle levende wezens die ermee in contact komen op psychologisch vlak veranderingen gewaar worden.
Maria, een bikkelharde vrouwelijke soldaat, en Pedro, een ambitieloze nietsnut met een kater van jewelste, moeten samen zien te ontsnappen naar veiliger oorden. Ze krijgen niet enkel een leger zombies achter zich aan, maar ook een militaire cel die supermensen met bovennatuurlijke krachten kweekt en de vreemde overlevers van een kernramp.
Een natuurkundige wiens vader werd vermoord tijdens de burgeroorlog in Guatemala. In een poging om opnieuw verbinding te maken met de energie van zijn vader raakt hij geobsedeerd door het vinden van een manier om karma door de ruimtetijd te meten. Tijdens zijn reis wordt het duidelijk dat de enige manier om zijn vader te vinden is door hem gewoon los te laten.
Frank leidt een rustig bestaan als bedrijfsjurist. Om zijn gedachten te verzetten gaat hij met zijn goede vriend een nachtje uit. Ze worden door een drugsdealer benaderd die hen een mysterieuze poeder aanbiedt. Frank neemt de hallucinogene drug in en ontwaakt uren later in het ziekenhuis zonder zich ook maar iets van de afgelopen nacht te herinneren. Hij is gebrand om te weten wat er is gebeurd.
'Ad Astra' volgt de ruimteavonturen van een licht autistische ingenieur, Roy McBride genaamd. Het is jaren geleden dat zijn vader naar Neptunes afreisde om buitenaardse intelligentie op te sporen. Roy besluit nu de Melkweg door te reizen, op zoek naar zijn vader en om antwoord te krijgen op de vraag waarom hij niets van zich heeft laten horen.