Ситуация на Земле ухудшается из-за надвигающегося энергетического кризиса, что может привести к военным конфликтам. Британский ученый Эйва Гамильтон застряла в пробке вместе со своим мужем Майклом, супруги обсуждают происходящее вокруг. Эйва получила предложение участвовать в миссии на борту космической станции Кловерфилд. Исследователи намерены провести опасный эксперимент с ускорителем частиц Шепарда. Если удастся запустить адронный коллайдер, он может стать неисчерпаемым источником энергии.
Кловерфилд находится в космосе уже два года, неоднократные попытки запустить ускоритель так и не увенчались успехом. В состав международной команды помимо Гамильтон входят также: немецкий физик Шмидт; китаянка Тэм; русский специалист Волков, отвечающий за систему жизнеобеспечения корабля; бразилец Монк, врач; ирландец Кил, техник; американец Манди, командир экипажа. Очередное тестирование ускорителя проходит неудачно.
С помощью веб-камеры Эйва разговаривает с мужем, который остался на Земле. Она сообщает, что тест опять провален, у них осталось топлива только на три попытки.
Между членами экипажа нарастает напряженность. Волков обвиняет Шмидта в том, что он не торопится с новыми испытаниями. В России ощущается острая нехватка энергоресурсов, она готова развязать войну. Шмидт отрицает, что умышленно затягивает эксперимент. Кил пытается разрядить обстановку. Экипаж готовится провести новый тест. Монк смотрит новостную программу с Земли. Интервьюируемый человек по имени Марк Стэмблер утверждает, что запуск коллайдера может нарушить пространственно-временной континуум, открыть портал, откуда в текущее измерение попадут «монстры, демоны и твари морские», изменится прошлое и будущее. Экипаж Кловерфилда в подобную чепуху не верит. Начинаются испытания. На этот раз, похоже, ускоритель работает, однако он начинает функционировать в режиме перегрузки, поскольку на выходе образуется критический уровень энергии. Выходит из строя система конденсации, которая используется для охлаждения. Для предотвращения возгорания Тэн предлагает использовать воздушную вентиляцию. Устранив аварийную ситуацию, астронавты с ужасом обнаруживают, что их космическая станция больше не вращается вокруг Земли. Сначала они предполагают, что неудачный эксперимент уничтожил планету, но позже приходят к выводу, что они сами переместились в другую часть галактики.
Экипаж обнаруживает, что таинственный образом исчез бортовой гироскоп – устройство, необходимое для навигации. Потом астронавты слышат душераздирающие крики, доносящиеся из стены. После вскрытия стенной панели изумленный экипаж обнаруживает внутри обшивки молодую женщину, тело которой пронзают провода бортового электрооборудования. Женщину извлекают оттуда и помещают в медицинский отсек. Незнакомка почему-то называет Гамильтон по имени.
На Земле Майкл просыпается от звуков чудовищного взрыва. На телефон поступают противоречивые сообщения: то ли на них напали русские, то ли произошла какая-то катастрофа. Майкл решает ехать в больницу, в которой работает, чтобы помочь пострадавшим.
Волков начинает чувствовать, что у него под кожей кто-то ползает, его глазные яблоки самопроизвольно вращаются. Глядя в зеркало, он словно разговаривает сам с собой. Пренебрегая правилами безопасности, он изготавливает на 3D-принтере пистолет и боеприпасы к нему. Волков идет в отсек, где Шмидт занимается регулировкой ускорителя, направляет на немца пистолет, обвиняя его в шпионаже в пользу Германии. Но внезапно Волков падает и начинает биться в конвульсиях. Его переносят в центральный отсек, судороги продолжаются, разрывая тело изнутри, из него появляются черви, которые ранее бесследно пропали из лаборатории. Волков мертв.
Эйва разговаривает с таинственным образом появившейся на борту незнакомкой. Та говорит, что ее зовут Мина Дженсен. Она утверждает, что знает всех членов экипажа за исключением Тэн. Затем она предупреждает Гамильтон, что Шмидту нельзя доверять. Кил проводит тайное расследование и выясняет, что Шмидт действительно работает на правительство Германии. Ему поручено саботировать исследования, чтобы Россия потерпела поражение из-за энергетического кризиса. Сам Шмидт это категорически отрицает, но Кил все же изолирует его.
Майкл разговаривает по телефону с сотрудником ЦУПа. Ему сообщают, что связь с Кловерфилдом потеряна. Майкл останавливает свою машину возле разрушенного здания. Сквозь дым мелькает гигантский силуэт, потом исчезает. Майкл слышит детский плач и мольбы о помощи. Он выходит из машины и находит в руинах девочку.
Манди ремонтирует стенную панель, внезапно его руку всасывает внутрь неведомая сила. Прибегают Кил и Эйва, пытаются вытащить товарища. Манди остается без руки, но он не испытывает болевых ощущений. Шмидта кто-то освободил. Он обнаруживает, что по кораблю сама по себе ползает рука Манди. Экипаж ловит оторванную конечность. Похоже, что рука хочет что-то сообщить. Ей дают ручку. Рука пишет: вскройте тело Волкова. Астронавты выполняют это распоряжение. Внутри мертвого русского обнаружен пропавший гироскоп. Устройство устанавливают обратно в разъем. Экипажу удается определить местоположение корабля. Кловерфилд по-прежнему в Солнечной системе, но Земля находится на противоположной от Солнца стороне. Астронавты восстанавливают связь с планетой. По новостным каналам на Земле передают сообщения о том, что уже больше года ведется глобальная война за энергоресурсы, а космическая станция Кловерфилд потерпела крушение, ее обломки упали в океан, все члены экипажа погибли. Астронавты приходят к выводу, что они оказались в другом измерении. Это альтернативная реальность, где существуют Дженсен и рука Манди. Подобная версия объясняет и то, что Мина знакома с экипажем. В своем мире она заняла место Тэм, а Шмидт там является шпионом германского правительства. Астронавты предполагают, что успешный запуск ускорителя позволит им вернуться в свое измерение.
Майкл и спасенная им девочка по имени Молли едут в убежище к другу Майкла, чтобы оставаться в безопасности во время таинственного непрекращающегося конфликта, которым охвачен город.
Тэм пытается восстановить систему охлаждения ускорителя с помощью воздушной вентиляции. Она идет в один из шлюзов, но оказывается запертой внутри него. Шлюз стремительно заполняет вода из вышедшей из строя системы конденсации. Другие члены экипажа пытаются освободить ее. Вода создает сильное давление на стекло внешнего люка и разбивает его, вода мгновенно превращается в лед. Тэм погибает. Чтобы продолжить попытки запуска коллайдера, Кил предлагает Дженсен занять место Тэн.
Из убежища Майкл снова звонит в ЦУП, но снаружи раздается грохот очередного взрыва, связь пропадает.
Мина сообщает Эйве, что ее дети в другом измерении живы. В той реальности, которую знает Гамильтон, они погибли во время пожара, который случился из-за украденной ею и установленной дома энергетической ячейки. Эйва потрясена этим известием, она хочет остаться в измерении Дженсен. Гамильтон ставит об этом в известность Кила, тот вынужден согласиться. Экипаж решает перенаправить всю оставшуюся в запасе энергию на запуск ускорителя. Система жизнеобеспечения корабля в этом режиме сможет обеспечить экипаж кислородом лишь в течение двух часов. Манди берется подготовить небольшое помещение, где астронавты будут находиться. Это ему почти удается, но магнитное возмущение становится настолько сильным, что инструменты и газовый баллон летят к стене, раздается взрыв. Манди погибает, часть корабля уничтожена.
Кил, Гамильтон и Монк вынуждены отправиться в поврежденную часть корабля и отбросить ее в открытый космос, чтобы спасти Кловерфилд от дальнейшего разрушения. На месте Кил выясняет, что для этого придется закрыть шлюз изнутри. Он жертвует собой во имя спасения остальных членов экипажа.
На Земле Майкл записывает на телефон видео-сообщения для жены. Он говорит Эйве: единственное, что они могут сделать, это спасти людей, которые еще остались в живых.
Уцелевшие члены экипажа спешат завершить свой план. Гамильтон сообщает Шмидту и Монку о своем решении остаться в альтернативном измерении. Дженсен тайно берет пистолет Волкова и приносит его в спасательную капсулу, которую они договорились разделить с Гамильтон. Мина оглушает Эйву и возвращается к ускорителю. Она стреляет в Монка. Гамильтон приходит в себя и идет на звуки выстрела. Дженсен приставила пистолет к голове Шмидта. Она сообщает Эйве, что оставит Кловерфилд в своем измерении. Мина готова убить троих членов экипажа ради спасения восьми миллиардов человек на своей планете. Шмидту удается сбить Дженсен с ног, что дает Эйве возможность бежать. Мина вступает с немцем в схватку и ранит его в плечо. Затем она начинает преследование Гамильтон, охотясь за той по всему кораблю. Эйве удается застать свою соперницу врасплох, она пытается вырвать из ее рук пистолет. Гамильтон нажимает на курок, делает три выстрела, пули попадают в стекло иллюминатора. Дженсен затягивает вакуум, ее уносит в открытый космос.
Эйва отказывается от идеи остаться в альтернативном измерении. Вместо этого она записывает сообщение, адресованное самой себе из другого мира. Она предупреждает о том, что использовать в домашних условиях энергетическую ячейку крайне опасно, также дает указания по запуску коллайдера. Затем Гамильтон и Шмидт запускают ускоритель на Кловерфилде, занимают свои места в спасательной капсуле, связываются с ЦУПом, сообщают, что миссия выполнена успешно, неисчерпаемый источник энергии найден, и они готовы вернуться на Землю.
Получив это известие из ЦУПа, Майкл в отчаянье кричит, чтобы его жена оставалась на орбите, «пока здесь эти твари». Но капсула входит в земную атмосферу. Из воды появляется огромный монстр. Он разевает свою пасть и оглушительно ревет.
