Rhoda Williams (Brit Marling), eine hochbegabte junge Frau, lebt in einer Welt genau wie der unseren. Doch dann erscheint unerwartet über Nacht ein ganz ähnlicher Planet wie der unsere am Himmel, der provisorisch Erde 2 getauft wird. Für Rhoda ist dieser fremde, gespenstische Planet samt seiner parallelen Realität, die die Wissenschaftler vermuten, ihre letzte Hoffnung.

Ein tragischer Unfall hat ihren Traum, Astrophysikerin zu werden, zerstört. Sie hat jeden Sinn für ihre Zukunft verloren, nur die Auseinandersetzung mit der Vergangenheit hält sie noch am Leben. Und so steht Rhoda eines Tages vor der Tür des renommierten Komponisten John Burroughs (William Mapother), jenes Mannes, dessen Leben sie unwiderruflich verändert hat. Beide sind sie vollkommen entwurzelt, misstrauisch und voller Zweifel, wer sie eigentlich sind. Sie verlieben sich ineinander und gehen eine höchst ungewöhnliche Beziehung ein.

Als Rhoda die unerwartete Chance bekommt, zur Erde 2 zu reisen, kommt die verborgene Wahrheit zwischen ihnen ans Tageslicht, und eine elementare Frage tut sich auf: Was ist, wenn das größte Mysterium im Universum wir selbst sind? Was ist, wenn es uns da draußen noch einmal gibt?