Sarah (Eva Green) é uma astronauta francesa em formação na Agência Espacial Europeia, em Colónia, sendo a única mulher no árduo programa. Ela vive sozinha com Stella, a sua filha de 7 anos. O seu amor é avassalador, inquietante, mas sente-se culpada por não poder passar mais tempo com a sua filha. Quando Sarah é escolhida para fazer parte da tripulação de uma missão espacial de um ano, chamada "Proxima", isso cria o caos na relação entre mãe e filha.