En 2035, l'équipage de la mission de la NASA Ares III est à l’œuvre sur le sol de Mars lorsque survient une tempête d'une intensité particulièrement élevée. La fusée qu'ils doivent utiliser pour repartir risque d'être déséquilibrée par le vent et détruite. L'équipage doit absolument quitter Mars avant que l'inclinaison de la fusée ne dépasse un seuil critique et ne les empêche de décoller. Alors que les astronautes se replient vers la fusée, l'un d'entre eux, Mark Watney, est frappé par une antenne. Il est happé par le vent et disparaît. Ses collègues le laissent pour mort, après quelques recherches de la commandante Lewis. Placés sous la menace de la destruction de leur fusée, ils décident de décoller sans lui.
Ray Ferrier est un père divorcé vivant dans le New Jersey, en banlieue de New York. Un matin, son ex-épouse lui confie la garde de leurs deux enfants, Rachel et Robbie, le temps de quelques jours. Mais le soir même, un orage éclate et déclenche d'étranges phénomènes comme l'arrêt total des véhicules à cause d'éclairs électromagnétiques. Bientôt, d'énormes engins mécaniques surgissent de sous la terre et désintègrent les êtres humains dans le chaos le plus total.
La planète Mars, qui se nomme en réalité Barsoom, est loin d'être dépourvue de vie. Cependant, les affrontements entre les différents peuples qui y vivent la mènent progressivement au déclin. Les martiens rouges, d'apparence très proche des humains, sont divisés en nations rivales. Parmi elles, la cité guerrière itinérante de Zodanga ravage les autres nations les unes après les autres. Seule la cité d'Helium lui résiste encore. Un jour, le vaisseau volant de Sab Than, roi de Zodanga, se perd dans une tempête de sable où il est pris en chasse par deux vaisseaux héliumites, mais sauvé in extremis par trois mystérieux moines dotés de pouvoirs surnaturels, qui se présentent comme des Therns, au service de la déesse Issus. Les Therns offrent à Sab Than le contrôle du Neuvième rayon, une technologie aux pouvoirs colossaux. Zodanga peut alors reprendre le dessus dans le conflit en cours.
Dans le futur, Mars est colonisée et exploitée pour le turbinium enfoui dans son sous-sol. La planète est tyranniquement administrée par Vilos Cohaagen, qui contrôle les mines et l'approvisionnement en oxygène.
L'action se déroule en 1985 dans une Amérique alternative, dans laquelle des héros costumés ont modifié l'histoire. Une première équipe de super-héros, les Minutemen, s'est constituée à la fin des années 1930 et une deuxième équipe, les Watchmen, s'est formée quelques décennies plus tard. Les États-Unis ont gagné la guerre du Viêt Nam grâce au docteur Manhattan et Richard Nixon en est à son cinquième mandat présidentiel, mais les héros costumés ont été déclarés illégaux par le Congrès. Ils ont tous pris leur retraite sauf deux : le brutal et cynique Comédien, qui travaille à présent pour le gouvernement, et le paranoïaque et incontrôlable Rorschach qui est recherché par la police. Le monde se dirige quant à lui vers une guerre nucléaire entre les États-Unis et l'Union soviétique.
Sur Terre, dans un futur proche, l’ingénieur et astronaute de la NASA Roy McBride s'occupe de la maintenance d'une antenne de 30 km de hauteur. Celle-ci est détruite lors d’une surcharge électrique venue de Neptune, qui cause des ravages également sur Terre.
En 2020, la NASA envoie pour la première fois une équipe d'astronautes sur Mars. Mais peu de temps après leur arrivée, ils sont confrontés à un phénomène surnaturel d'une puissance terrifiante et toutes les communications sont coupées. Une mission de sauvetage est alors envoyée à leur recherche...
On signale l'arrivée massive sur terre de Martiens à bord d'innombrables soucoupes volantes. Dans une langue inconnue et d'une voix nasillarde ils diffusent la nouvelle sur toutes les télévisions du globe. Le Président des États-Unis, James Dale, fait alors une annonce en direct afin d'entrer en contact avec eux. Un scientifique invente une machine qui permet de traduire leur langue. Ils annoncent qu'ils vont atterrir dans le désert du Nevada, avec un message de paix. C'est la joie aux États-Unis. Un important dispositif est mis en place pour leur arrivée. La foule est invitée à se rassembler sur le site pour assister à ce premier contact extra-terrestre historique. En fait, les Petits Hommes Verts se moquent de cet accueil et de la naïveté américaine. Ils viennent en réalité prendre possession de notre planète en atomisant la populace, les militaires et le Congrès grâce à leur pistolet-désintégrateur, redoutable arme de poing. Bientôt ce n'est pas qu'aux États-Unis qu'ils prennent pied, mais partout à travers le monde. Poursuivant leur œuvre de mort, ils finissent par tuer les présidents américain et français. Par ailleurs ils se révèlent d'impitoyables observateurs de notre mode de vie intime dont ils se gaussent avec une ironie féroce. Malheureusement pour eux, alors que la victoire leur est acquise sur toute la planète, un jeune Américain et sa grand-mère leur découvre une faiblesse qui va avoir raison d'eux : ils sont allergiques au yodel (en particulier ceux de Slim Whitman dans la chanson Indian Love Call). Il ne reste plus qu'à diffuser partout cette musique qui les anéantit instantanément.
Six membres de l'équipage de la Station spatiale internationale (ISS) réceptionnent une sonde revenant de Mars et contenant un échantillon de sol, qui pourrait contenir des signes de vie extraterrestre. L’exobiologiste Hugh Derry relance une cellule dormante de l'échantillon, et il se développe rapidement en un organisme multi-cellulaire. La mission est suivie sur Terre par la population. Un concours est même lancé pour donner un nom à l'organisme. Des écoliers américains le nomment Calvin.
En 2026, on découvre dans le désert du Nevada un portail de téléportation menant à une ville antique sur la planète Mars. Vingt ans plus tard, en 2046, les installations martiennes de recherche de l'Union Aerospace Corporation (UAC) sont attaquées par un assaillant inconnu. À la suite d'un appel de détresse envoyé de Mars par le docteur Carmack, un groupe de Marines dirigé par le sergent-artilleur Asher « Sarge » Mahonin est envoyé en mission de sauvetage, l'escouade utilisant le portail de téléportation de la base du Nevada pour se rendre là-bas.
Après s'être disputé avec sa mère, Milo voit celle-ci se faire enlever par des Martiens. Réussissant à entrer dans leur vaisseau spatial, le jeune garçon se retrouve sur Mars où il devra retrouver sa mère s'il ne veut pas qu'elle meure. Avec l'aide de Gribble, un enfant ayant grandi sur Mars, et de Ki, un extraterrestre qui veut les aider, ils partiront à la rescousse de la mère de Milo.
Un extra-terrestre venant de Mars s'écrase sur une plage californienne et s'y retrouve prisonnier. Un journaliste le découvre et décide de l'héberger dans sa maison, espérant écrire une histoire sensationnelle sur lui...
En 2057, face à une Terre menacée par une crise écologique en raison de la pollution et de la surpopulation, des missions interplanétaires automatisées sont envoyées sur Mars pour y installer des postes avancés et semer des algues afin d'oxygéner cette planète qui est devenue l'ultime salut de l’humanité. La NASA décide d'envoyer la première expédition humaine sur Mars pour enquêter sur les raisons d'une baisse subite du taux d'oxygène risquant de mettre en péril le projet de terraformation. L'équipage de Mars-1 est composé du commandant Kate Bowman, du pilote Santen, de l'ingénieur systèmes Gallagher, du généticien Burchenal, du philosophe Chantilas et du scientifique Pettengil spécialisé dans la terraformation.
Au cours d'une mission sur Mars, l'astronaute Patrick Ross est infecté par de l'ADN extraterrestre. De retour sur Terre, il commence à se transformer en une entité extraterrestre effrayante ayant une seule idée en tête : s'accoupler avec des humaines et coloniser le monde avec sa progéniture semi-extraterrestre. Cependant Ève, une autre entité mi-extraterrestre mi-humaine, issue d'un clonage et gardée prisonnière dans un laboratoire, prend conscience de la présence de ce mâle mutant. Leur connexion psychique réveille l'instinct sexuel d'Ève, bridé par le Dr. Laura Baker. Elle s'échappe pour retrouver Patrick et s'accoupler avec lui. Mais Laura Baker et Preston Lennox se sont mis sur leurs trousses avec l'aide de l'un des collègues astronautes de Patrick, Dennis Gamble.
Fred Z. Randall est envoyé sur Mars... Autant dire que c'est une catastrophe! Ce génie de l'informatique a réussi les tests de la NASA pour faire partie de l'équipage suite à l'accident d'un des membres de l'expédition. Il a ainsi réussi à battre, contre toute attente, un adversaire très expérimenté. Ses supérieurs sont obligés de le nommer pour cette mission de la plus haute importance, bien qu'il soit particulièrement gaffeur et naïf. Il fera ainsi équipe avec une belle astronaute et un chimpanzé, sous les ordres du Capitain Overbeck. L'aventure peut commencer.