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Le docteur Eleanor "Ellie" Arroway travaille pour le programme SETI à l'observatoire d'Arecibo, à Porto Rico. Son père, décédé alors qu'elle avait neuf ans, l'a encouragée à poursuivre ses passions pour la radio-télécommunication et l'astronomie. Avec ses collègues, Arroway recherche ainsi des signaux radios d'origine extraterrestre. Le programme perd son financement après que David Drumlin, conseiller scientifique du président, l'a jugé inutile. Cependant, Arroway reçoit le soutien financier de S. R. Hadden, l'industriel milliardaire et secret qui dirige Hadden Industries, ce qui lui permet de continuer à travailler au Very Large Array (VLA) au Nouveau-Mexique.

Quatre ans plus tard, le projet est encore menacé de fermeture mais Arroway découvre un signal important qui reproduit une séquence de nombres premiers, provenant d'un secteur autour de l'étoile Véga à 26 années-lumière de la Terre. L'annonce de la découverte pousse Drumlin et le Conseil de sécurité nationale dirigé par Michael Kitz à prendre le contrôle du centre. L'équipe d'Arroway découvre une vidéo dissimulée dans le signal : le discours d'ouverture d'Adolf Hitler aux Jeux olympiques d'été de 1936 à Berlin, en Allemagne. Passée la stupéfaction, Arroway et son équipe soutiennent qu'il s'agissait alors de la première transmission télévisée susceptible d'avoir quitté l'atmosphère terrestre, et qu'elle a été simplement renvoyée depuis Véga à la Terre pour signaler sa réception.

Les découvertes sont suivies mondialement et alors que le président Bill Clinton et Drumlin donnent un communiqué télévisé, Arroway apprend que le message contient contient plus de 63 000 pages de données codées. Les efforts pour décoder ces images sont infructueux. Mais le milliardaire Hadden y parvient en les analysant de manière tridimensionnelle et en informe Arroway qui expose alors les résultats au gouvernement : il s'agit de plans de construction d'une machine monumentale et complexe, qui consiste en une capsule contenant un seul homme qui est lâchée dans trois gigantesques anneaux en rotation rapide.

Tous les pays du monde financent la construction de cette machine au Cap Canaveral. Un jury international est créé pour choisir le meilleur candidat pour représenter l'humanité dans l'expédition, Drumlin et Arroway sont des prétendants. Si Arroway est bien placée pour être choisie, son manque de foi religieuse est notée par son ami et ancien amant Palmer Joss alors membre du jury et fervent chrétien. Drumlin est donc sélectionné, mais le jour du lancement au début du test d'essai, un fanatique religieux détruit la machine lors d'un attentat-suicide, tuant Drumlin et les autres techniciens présents. Arroway apprend ensuite qu'une deuxième machine a été construite secrètement à Hokkaidō au Japon, et elle est choisie pour partir grâce à l'influence de Hadden.

Arroway commence alors son expédition et elle est munie d'appareils d'enregistrement. Après le lancement, sa capsule traverse une série de trous de ver et elle observe également des systèmes solaires et des constructions dignes d'une civilisation avancée. Elle se retrouve ensuite dans un paysage tropical surréaliste qui s'avère artificiel, et un personnage à l'image de son défunt père vient à sa rencontre. Elle comprend qu'il n'est pas réellement son père, mais un extraterrestre. Sa forme et le contexte ont été choisis pour rendre la rencontre plus facile pour Arroway. Après quelques questions de Arroway qui n'obtient que des réponses évasives, l'extraterrestre lui explique qu'il ne s'agissait que d'une première étape de la rencontre entre eux et l'humanité, puis il la réexpédie sur Terre.

Arroway se retrouve dans la capsule sur Terre, et apprend que du point de vue terrestre la capsule n'a fait que traverser en chute libre les anneaux de la machine, alors que pour elle l'expérience a duré environ 18 heures ; mais sa capsule a été hors de contact depuis la Terre durant 1/10e de seconde... Les images de sa caméra ne montrent que des parasites. Elle est alors accusée d'avoir été victime d'hallucinations et Kitz considère que le projet entier n'était qu'un canular élaboré, du désormais défunt milliardaire Hadden. Arroway demande à ses interlocuteurs qu'ils aient foi en son témoignage. On voit ensuite Kitz et la Chef de cabinet de la Maison Blanche Rachel Constantine discuter du fait que la caméra d'Arroway n’a enregistré que des parasites mais que cet enregistrement a bien duré approximativement 18 heures. Un financement continu est accordé à Arroway pour qu'elle poursuive son programme SETI au Very Large Array.

Le film est adapté du roman du même nom de Carl Sagan paru en 1985. Le film est porté par l'interprétation habitée de Jodie Foster aussi intense en chercheuse solitaire, qu'en scientifique convaincante et solide face aux commissions d'enquête. les seconds roles sont aussi très convaincants : Matthew McConaughey (Palmer Joss, l'amant devenu jury), James Woods (Michael Kitz, président du conseil de sécurité), Tom Skerritt (David Drumlin, conseiller scientifique du président), John Hurt (S.R. Hadden, le milliardaire) et David Morse (Le père d'Ellie).

La force tranquille d'Ellie est due à la passion inculquée par son père, forme par laquelle les extra-terrestres apparaîtront

L'intrigue scientifico-politique est aussi pleine  d'énigmes et de rebondissements.