在父親的鼓勵和指導下,艾蓮諾「艾麗」阿諾威從小就對天文學產生了濃厚的興趣,以優異成績從麻省理工學院畢業並取得博士學位後,她成為一位”搜尋地外文明計劃”的科學家並開始在阿雷西沃山谷中的阿雷西博天文台工作。每天,她的主要工作就是利用電台監聽各個波段的信息,希望可以找到來自地外生命發來的訊號。不過由於認為這樣的努力是在白白浪費有限的資源,政府主管部門的科學家大衛杜姆林停止了對這一項目的資助。不過艾麗卻意外地得到了一位名為SR海登的神秘億萬富豪企業家的幫助,原來他一直都在關注艾麗的成長和其事業的發展。海登的巨額資助讓艾麗有機會來到位於新墨西哥州索科羅縣的”甚大天線陣”繼續自己的研究工作。
四年後,正在杜姆林打算關閉搜尋地外文明計劃時,艾麗發現了一系列來自織女星的強烈信號,這些信號以音頻形式出現,並且不斷重複2-101之間從小到大的所有質數。這一發現引起了杜姆林和國家安全顧問麥可科茲領導的美國國家安全委員會的高度注意,並試圖取得對甚大天線陣的管控權。正當艾麗、杜姆林和科茲進行爭論時,盲人科學家肯特克拉克從最初發現的音頻信號中聽出有其它內容,經過解碼處理後最終發現這是一段阿道夫希特勒在1936年柏林奧運會上致辭的影片信息。艾麗和杜姆林推測,這段信號出現是因為1936年柏林奧運會開幕時,當時的德國元首希特勒為了展示德國強大的科技實力而進行的第一次向全世界甚至外太空發送電視轉播信號。該信號經過26年時間後到達26光年外的織女星,又被當地的智慧生命傳回,再經26年後才到達地球,其意思相當是:「我們聽到了」。
這一系列驚人的發現很快傳遍了全世界,經過進一步地分析和解碼,科學家們發現這些信息中包含了超過6萬頁各不相同看起來似乎是某種工業設計圖紙的信息,但卻一直苦於找不到破解密碼以便看懂這些信息的方法。這時海登又一次幫了大忙,他將艾麗請到自己的私人專機上,並且詳細解釋了解碼的方法。通過3D視圖進行解碼後,所有的信息都順利得到了分解,這些信息看起來似乎是用於製造某種機器的藍圖。機器的主體由三個巨大的環組成,機器動作的方式似乎就是將一個裝有人的圓形容器從三個不斷放置的環上放下去,但是沒有人能肯定接下來會怎麼樣。
世界各國開始集資在位於佛羅里達州南部布里瓦德郡卡納維拉爾角的甘迺迪航天中心第39號發射複合體處建造這台機器。一個由各國科學家及領導人組成的委員會也開始挑選執行這次任務的候選人。雖然艾麗是最優先考慮的幾名人選之一,但一位之前曾與她在波多黎各短暫邂逅並有過私人交往的基督教哲學家帕爾默喬斯在聽證會上對她的宗教信仰提出了疑問。最後,由於艾麗並不信教,她失去了委員會中大多數成員的支持,最終,大衛杜姆林成為了此次任務的執行人。但就是機器進行測試的這天,一位宗教極端主義者在全身綁滿炸藥並混入了機器內部,最終引爆了炸彈,導致包括杜姆林在內的多名工作人員遇難。
正在全世界都陷入悲痛中,艾麗也有些心灰意冷的時候,海登又一次聯絡了她。告訴她其實在日本的北海道還建有另外一台一模一樣的機器,並且艾麗可以成為這台機器的試飛員,艾麗立即動身前往北海道。為了避免再出現類似的事故,北海道的安保工作極其嚴格,甚至拒絕了任何媒體的現場採訪、記錄要求。
臨行前,國家航空航天管理局的科學家交給了艾麗一顆在某些極端、特殊情況下可能派上用場的自殺藥丸。終於,她頭戴攝影記錄鏡頭走進了一個密封的容器之中,經過倒數,容器從三個不斷旋轉的巨大圓環間落下,艾麗似乎進入了一系列蟲洞之中進行高速的穿梭。最終,她來到了一個看起來似乎與自己童年時期畫過的一幅畫非常相似的海灘邊,一個模糊的影像逐漸逐漸接近自己,一直走到身前時才看得出來原來竟是她早已因心臟病發而去世的父親。原來這一切都只是因為外太空的智慧生命認為以這樣的方式來與地球人進行接觸,應該會更容易被接受。艾麗試圖詢問對方許多問題,但外星生命都沒有正面回答,而只是向她解釋了這次旅程只是人類與其他智慧物種間接觸所必須的第一步。
艾麗仔細地思考和消化著這樣的答案並很快失去了意識。醒來後,她發現自己身處密閉容器的底部,工作人員正在大聲叫她的名字試圖讓她恢復清醒。她之後得知,從除她以外的任何人看來,該容器從圓環上方落下後只是直接落入了之下的大海中的安全網上,似乎什麼事情也沒有發生。但艾麗堅持認為,自己已經穿越時空,在外太空旅行了約18個小時,可是她的錄影設備卻只錄下了靜電干擾。麥可科茲辭去國家安全顧問一職,開始組織並領導一個國會委員會對整個事件進行調查和聽證,並且指出這一切很可能不過是前不久剛剛去世的SR海登臨死前的一個人類歷史上最昂貴的惡作劇。在最終舉行的聽證會上,艾麗無法提供充分的證據來證實自己那一段難以形容的奇妙旅程,但她仍然堅持了自己的意見和信念,最終獲得了大眾的信任。而另一邊,白宮辦公廳主任蕾切爾康士坦丁發現科茲對聽證會隱瞞了一個至關重要的證據:艾麗頭戴的錄影設備雖然只是錄下了靜電,但卻長達18小時。
最後,艾麗獲得了聯邦政府的科研基金撥款,在甚大天線陣繼續其研究工作。