庭贫穷的北京学生刘兴（刘烨饰）受到美国当地菁英学生资助者乔安娜（梅莉·史翠普饰）接待，到河谷州立大学就读宇宙与天文学系，跟随指导教授夏致力研究太空中的暗物质（DARK MATTER）。刘兴表现优异，获得多位教授及学界的看好，并自觉距离获得成功与拿下诺贝尔奖的梦想又更进一步。聪明绝顶的他加入学校某个研究计画团体。在研究过程中，他发现并提出了与指导教授的主张相违悖的想法，并希望借此作为他的毕业论文。然而他的指导教授不满自己的理论被学生试图推翻，屡次驳回刘兴新发现的暗物质理论，并试图劝他放弃，刘兴甚至因此无法