遥远的未来，人类离开不堪负荷的地球，在新的星系延续了文明，那些星系中心的星球组成联盟，不断尝试将偏远的蛮荒星球纳入势力范围。少女瑞娃（SummerGlau饰）在联盟的这一政策下被改造成为感觉敏锐、身手矫健的战斗机器。瑞娃之兄西蒙将其救出，带到了前抵抗组织成员——马尔（NathanFillion饰）的运输飞船——“宁静号”上。另一方面，联盟议会为防止瑞娃可能掌握的情报外泄，派出手段毒辣的特使追索不休。马尔一行因瑞娃的战斗模式被联盟唤醒而多次陷入险境，船员们不得不在毫无理性的宇宙掠夺者和联盟的阻击中艰难前往边缘之地——摩兰达，在那里，埋藏着一段联盟不愿示人的罪恶往事……本片为电视剧集《Firefly》的后续和结局，获2006年土星奖最佳女配角等专业褒奖。

26世纪，人类殖民了一个新的太阳系。中央行星组成了联盟，并赢得了与拒绝加入联盟的外行星独立者的战争。谭河在联盟科学家的训练下成为一名通灵者和刺客，但很快被她的兄弟谭西蒙博士救出。在训练期间，River 无意间读懂了几位政府高级官员的心思，并得知了他们的秘密。因此，一名联盟特工（仅称为特工）的任务是重新抓获她。

兄弟俩在宁静号运输飞船上避难，船上有船长马尔科姆·“马尔”·雷诺兹、大副佐伊·沃什伯恩、飞行员霍班·“沃什”·沃什伯恩、雇佣兵杰恩·科布和机械师凯莉·弗莱。尽管西蒙反对，马尔还是带瑞弗一起抢劫银行。河警告他们野蛮和食人的掠夺者即将到来。他们逃脱了，但西蒙决定他和河将在下一个港口离开宁静号。然而，一旦到达那里，就会有一条潜意识的信息在电视广告中，瑞弗袭击了众多酒吧顾客，马尔将兄弟姐妹带回船上。船员们联系了隐居的黑客宇宙先生，他发现了这条旨在触发里弗精神调节的信息。他注意到里弗在攻击前低声说了“米兰达”，并警告其他人已经看过这段视频。

马尔收到伊纳拉·塞拉的邀请。意识到这是一个陷阱，马尔去面对特工，特工承诺如果他交出河，就让他自由。马尔勉强逃脱。米兰达被发现是一颗位于掠夺者蜂拥而至的太空区域之外的行星。船员们飞往避风港，但发现它已被摧毁，他们的朋友牧羊人布克也受了致命伤。特工承诺杀死任何帮助他们的人，直到抓住河。

马尔让船员们将宁静号伪装成掠夺者船，并在未被发现的情况下前往米兰达。他们发现米兰达的 3000 万殖民者死亡，并且有一段录音解释了一种抑制侵略性的实验化学物质已被添加到米兰达的大气中。人们变得如此温顺，他们停止了所有日常生活活动并平静地死去。他们中的一小部分人有相反的反应，变得疯狂的攻击性和暴力。联盟创造了掠夺者，这是River潜意识中的秘密。

宇宙先生同意播放这段录音。然而，特工杀死了他并准备伏击。知道这一点后，船员们激怒了掠夺者舰队，将他们追向联盟舰队。掠夺者与联盟展开战斗，而沃什则驾驶宁静号穿越交火。他坠毁在广播塔附近，然后被掠夺者的长矛刺穿致死。

剧组人员与掠夺者队进行了最后的抵抗，为马尔争取了播放录音的时间。船员们撤退到一组未能正常关闭的防爆门后面。西蒙中弹，瑞芙冲进门扔回西蒙的医疗箱，并在掠夺者将她拖走之前关上门。在发射机处，马尔与特工战斗，最终制服了他并迫使他观看录音的播放。马尔回到船员身边。防爆门打开，河水已经杀死了所有掠夺者。特工命令联盟军队停止行动。

特工提供医疗援助和资源来修复宁静号。他告诉马尔，广播削弱了联盟政府，但尽管他将试图说服议会相信里弗和西蒙不再是威胁，但他警告说，他们可能会继续追捕，以报复泄露消息。宁静号起飞，河成为马尔的新飞行员。