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電波天文学者のエリー（ジョディ・フォスター）は、砂漠の電波天文台で観測中に、恒星ヴェガ付近から地球に向けて電波信号が発せられているのに気づく。彼女は物心ついた時から常に、「なぜ私たちはここにいるのか。私たちは何者なのか」という疑問の答えを求めていた。最愛の父テッド（デイヴィッド・モース）が亡くなった後、エリーは科学に没頭する。彼女は地球外生命体からのメッセージの探究をテーマに選び、大多数の科学者からの嘲笑や成功の確率の圧倒的な低さにも関わらず、何年も宇宙からの電波の観測を続けていた。そして、とうとうメッセージは届いた。エリーが送られてくる電波信号を数字に変換すると、どこまでも続く素数の羅列になった。これは、素数を理解するまでの水準に達した生物の住む惑星を探すため、何らかの知的存在が発したメッセージに違いない。信号は単に素数を表しているだけでなく、複数の読み取り方ができることがわかった。さらに世界中の国々が協力して解読を進めるうちに、驚くべき事実が判明。このメッセージには、乗員を宇宙へ運ぶことのできる宇宙間移動装置＝ポッドの設計図が含まれていたのだ。新時代の幕開けかハルマゲドンの到来か、世界中を巻き込んだ騒ぎが続き、この装置を建造するか否かについても論争が巻き起こる。最初にメッセージを発見し、その後も解読の中心となってきたエリーだったが、彼女の功績を妬む科学者ドラムリン（トム・スケリット）によって、科学調査班のリーダーの地位に果たして彼女が適任かどうかを巡る争いが起こった。そんな中、彼女は国際的な影響力を持つ宗教学者で、合衆国政府の宗教顧問でもあるパーマー・ジョス（マシュー・マコノヘイ）に援護を求めた。2人は、かつて愛し合った仲だったが、仕事第一のエリーのせいで、彼らの恋は短命に終わっていた。宇宙に目を向けてきた科学者と、人間の内面に深く分け入ろうとする宗教学者、まったく異なる信念を持って生きてきた2人だが、メッセージを理解しようとする共通の情熱から新しい絆で結ばれ、改めて愛し合うようになる。ポッドの建造が決定し、ただ1人の乗員の志願が始まった。エリーも志願するが、査問会はドラムリンを選んだ。だが、ポッドの運転テストの当日、テロリストが爆弾を爆発させて装置は破壊され、ドラムリンも死んだ。悲嘆にくれるエリーに、以前から彼女の能力を高く買って資金援助を続けていた謎の資産家ハデン（ジョン・ハート）が、装置はもう一基、北海道に建造されている、と明かす。エリーはポッドに乗り込み、巨大なマシンが動き始めた。強いエネルギー界にポッドが落とされた瞬間、めくるめく光のチューブ＝ワームホールを抜けて時空間を移動する。そこは言葉にできないほど美しい空間だった。一面に広がる青い海と白い砂浜に降り立った彼女の前に、死んだはずの父テッドが現れた。これは、彼女の意識を読み取った知的生命体がテッドの姿を借りたのだった。生命体は「これは人類にとって第一歩だ」と言い、エリーは「この広い宇宙で、私たちは独りぼっちではない」と初めて実感する。彼女が次に気づいた時はベッドの上だった。彼女は国防庁長官キッツ（ジェームズ・ウッズ）や大統領補佐官レイチェル（アンジェラ・バセット）から、実験は失敗し、あの体験は幻覚ではないかと告げられる。調査会議が開かれ、エリーは激しい批判にさらされたが、彼女は毅然として自分が体験したことを信じていると主張し、多くの人々から温かく迎えられる。再び電波観測の任に就いた彼女は、砂漠の真ん中であの体験に思いを馳せる。