Lorsque l’équipage d'une soucoupe martienne intercepte le récit de l'émission radio d'Orson Wells "La guerre des mondes", celle-ci se lance vers la Terre pour participer à l'invasion. Nos petit Martiens débarquent dans une petite ville des Etats-Unis qui fête Halloween et leurs petites tailles les confonds avec les enfants venus réclamer leurs bonbons. Manifestement pas pris au sérieux et leur vaisseau spatial endommagé, ils vont devoir trouver l'aide d'une petite fille pour rentrer chez eux
Dans un futur proche, Nathaniel Shepard (Gary Oldman), PDG de Genesis, lance la toute première mission de colonisation sur la planète Mars. Pendant le voyage, l'astronaute en chef, Sarah Elliot découvre qu'elle est enceinte. Peu de temps après l'atterrissage, elle meurt de complications en donnant naissance au premier être humain né sur Mars. Le père de l'enfant est inconnu. Cet enfant est nommé Gardner Elliot (Asa Butterfield)
Vers la fin des années 1970, la première mission habitée vers Mars est prête sur le pas de tir. Mais lorsque la NASA découvre que, par la faute d'un sous-traitant, les systèmes de support de vie rendent la mission impossible, ils préfèrent simuler une mission martienne réussie plutôt que d'avorter le projet.
Un jeune garçon passionné d'astronomie essaie d'arrêter l'invasion de sa ville par des aliens qui s'emparent de l'esprit de ses habitants en contrôlant l'esprit humain au moyen d'un implant situé dans le cou de leurs victimes. Avec l'infirmière de son école, le garçon va tenter d'alerter et obtenir l'aide de l'armée américaine.
Tout commence, en 2071, dans le cratère d'Alba City sur Mars par l'explosion d'un camion-citerne par des terroristes. Le gouvernement suspecte une attaque bioterroriste, et met de nombreuses personnes sous surveillance médicale. Mais aucune trace de virus n'est trouvée, bien que les gens soient malades. Une énorme récompense est promise pour la capture des malfaiteurs.
En 2092, Nemo Nobody, âgé de 118 ans, est le dernier mortel vivant dans un monde d'immortels. Il est interrogé sur son passé et se retrouve sous les soins du docteur Feldheim, qui veut l'aider à mettre de l'ordre dans ses souvenirs brouillés. Profondément marqué par le divorce de ses parents et par ses vies sentimentales, le vieillard a des trous de mémoire et son témoignage est constitué d’épisodes contradictoires de son enfance, de ses amours et de sa vie conjugale. Il raconte son passé à un journaliste venu l'interroger.
1954. La communauté de Linda Rosa, en Californie, est marquée par la chute d'une météorite, provoquant un début de feu de forêt dans les environs de la localité. Une fois l'incendie contenu, le corps céleste est retrouvé, mais il est radioactif et trop chaud pour être examiné. Le shérif laisse trois hommes garder le cratère. Ils seront confrontés à une intelligence d'origine extraterrestre qui n'est pas portée sur la discussion...
La Roue, satellite artificiel, se trouve en orbite à près de 1600 kilomètres de la Terre. Six courageux volontaires observent à son bord un régime alimentaire consistant uniquement en diverses gélules. Au sein de cette petite communauté, Imoto, Fodor et Siegle sont finalement désignés pour appareiller sur l’Épervier, un vaisseau spatial en cours de construction. Une fois l’astronef achevé, les trois spationautes partent en mission d’exploration.
Une équipe d'astronautes, en poste depuis six mois sur Mars, arrive à la fin de sa mission. Il ne leur reste plus que 19 heures avant de repartir vers la Terre. C'est alors qu'un membre de l'équipe, le scientifique Marko Petrovic, découvre une bactérie dans les échantillons qu'il avait prélevés. Sans annoncer sa découverte aux autres, il retourne avec un collègue sur la zone de prélèvement où il meurt dans un éboulement. Sa combinaison percée laisse la bactérie le transformer en zombie et il s'attaque aux autres membres de la mission pour les infecter.
Quinze ans auparavant, la Terre a failli être envahie par une invasion martienne, mais, comme H.G. Wells nous l'a raconté, les assaillants ont été vaincus par les microbes. Depuis, l'organisation A.R.E.S. a été créée pour lutter contre une nouvelle attaque en réutilisant la technologie abandonnée.
En 1914, l'Europe est prête à entrer en guerre quand les Martiens, apparemment immunisés, lancent un nouvel assaut. A.R.E.S. doit alors surmonter les dissensions internationales pour organiser la résistance.
L'histoire débute en décembre 1921. Un mystérieux message est envoyé aux radios du monde entier, simplement trois mots : « Anta… Odeli… Uta… » que les spécialistes ne peuvent déchiffrer. Dans une station de Moscou, l'ingénieur Los et son collègue et voisin l'ingénieur Spiridonov reçoivent ce message. On apprend ensuite qu'ils élaborent en secret les plans d'un vaisseau spatial.
Alors que les enfants martiens sont fascinés par des images venues de la télévision terrienne, où l'on voit particulièrement le père Noël, les adultes martiens décident d'aller kidnapper ce drôle de personnage et le ramènent sur Mars. Lors du voyage, l'un des Martiens cherche à tuer le père Noël. Arrivé sur la planète rouge, le père Noël deviendra une véritable star.
Afin de dissimuler au fisc des bénéfices un peu trop juteux, un producteur peu scrupuleux décide de financer un film amateur, « L'Homme homard venu de Mars » au titre tout désigné pour devenir un échec commercial et sauver ainsi la mise.
Une expédition arrive sur Mars et découvre des Martiens pacifistes. La fille du leader martien accepte de les accompagner sur la Terre pour délivrer un message de paix.