В 1967 году молодая женщина, изучающая астрофизику, оказывается в положении изгоя — её отец, профессор, был жестоко избит хунвэйбинами до смерти. Несмотря на клеймо "классового врага", её направляют в засекреченный исследовательский центр во Внутренней Монголии. Там учёные пытаются установить контакт, отправляя сообщения в космос в надежде на ответ от иных цивилизаций.
В наши дни, в 2024 году, ускорители элементарных частиц по всей планете начинают выдавать аномальные данные. Эти результаты противоречат фундаментальным физическим законам. Параллельно происходит череда необъяснимых смертей среди учёных, выглядевших как самоубийства. Расследование поручают детективу из Лондона. Он сосредотачивается на студентах и коллегах одной из погибших — исследовательницы из Оксфорда.
Одна из её учениц, работающая над созданием нановолокон, начинает испытывать странные видения: перед её глазами возникают цифры, ведущие обратный отсчёт. Другая девушка забирает у матери умершей таинственный шлем — сложный прибор для погружения в виртуальную реальность. Надев его, она запускает игру. Её цель — предотвратить гибель целой цивилизации, столкнувшейся с хаотической системой из трёх солнц, вращающихся вокруг планеты. Чтобы спасти мир, игроку предстоит разгадать головоломку, известную как задача трёх тел.