影片以地球受到太陽威脅，地面溫度急劇下降，威脅人類生存空間為背景。在這種情況下，人類提出了“流浪地球”的計劃。也就是說，地球上建造了無數的發動機來推動地球“流浪”。在這個過程中，人類會通過抽簽的方式進入安全的地下城生存。劉培強離開年幼的兒子和父親進入地下城，自己去了空間站。故事正式開啟。
幾年後，主人公劉啟長大了，卻因為當年的隱情，與父親產生了巨大的隔閡。他偷了爺爺的車，私自帶著妹妹出了地下城。結果，因為全球引擎關閉，他被迫加入救援任務。其間，劉啟的爺爺意外去世，與父親的心結成為他的巨大障礙。至此，所有人都發現地球與木星的碰撞不可避免，他們的行動徹底失敗。
就在這時，空間站的劉培強了解到了地面的情況，甚至發現了人工智能主機的叛逃。當他知道空間站制定了放棄地球，保留火種的計劃後，他開始糾結。但他很快發現，這是聯合政府做出的決定。他應該看著自己的兒子死去嗎？看著地球滅亡？這時候，轉折點來了。地面上的劉啟回憶起小時候父親說過的話，想到用發動機點燃木星裏所有的氦氣，把它推離地球。
影片的結局可謂悲喜交加。劉啟和劉培強取得了聯系，他終於解開了父親的心結。然後，盡管有大家的幫助，發動機的火焰也無法到達木星。這壹刻，劉培強選擇和空間站壹起撞向木星，地球幸免於難。
這個結局是好是壞。從影片的整體構思來看，其實是完整的，高尚的。體現了劉培強的犧牲精神和全人類自救的主題，但在功能上確實弱化了劉啟的人物形象。作為壹個電影英雄，他的自主權太少，最後的光環屬於他的父親。當然也不是不能理解全人類都是英雄。