Emma Watson, qui mène une brillante carrière dans la recherche médicale, s'est entraînée pour la mission de sa vie : étudier des organismes vivants dans l'espace. Son mari, Jack McCallum, dont elle est séparée, partageait le même rêve de voyage spatial, mais un problème de santé l'a cloué au sol. Il assiste donc en simple spectateur aux exploits de sa femme, qui se prépare pour sa première mission à bord de l'ISS, la Station spatiale internationale. Mais, dès son arrivée à bord de la station, les choses tournent mal pour Emma, chargée d'observer l'évolution en apesanteur d'archéobactéries remontées des profondeurs marines, dont la nature mortelle n'a pas été révélée à la NASA. Placées sous microgravité, les cellules contaminent l'un après l'autre les membres de l'équipage, qui agonisent dans d'atroces souffrances. Emma doit mobiliser toute son énergie pour empêcher le microbe mortel, baptisé la «chimère», de proliférer, tandis que, sur Terre, Jack et la NASA luttent contre le temps pour la sauver...