Rhoda Williams (jouée par Brit Marling), une jeune femme brillante aspire à étudier l'astrophysique à l'université MIT. Cependant, sa vie prend un tournant dramatique lorsqu'elle provoque un accident de voiture tragique qui coûte la vie à la femme enceinte de John Burroughs (joué par William Mapother) et à son jeune fils. Après quatre ans de prison, Rhoda est libérée et tente de se reconstruire dans un monde où elle doit affronter la culpabilité et la destruction qu'elle a causées. Par hasard, les scientifiques annoncent la découverte d'une planète identique à la Terre, surnommée "Earth 2", en orbite autour du soleil. Cette planète mystérieuse ressemble étonnamment à la Terre, et suscite des questions sur l'existence de doubles de chaque individu sur cette nouvelle planète. Rhoda décide de participer à un concours pour gagner un voyage sur "Earth 2", mais elle hésite à se présenter à John Burroughs pour lui avouer sa culpabilité pour l'accident. Au lieu de cela, elle se fait passer pour une femme de ménage et commence à nettoyer sa maison. Pendant ce temps, une relation complexe se développe entre Rhoda et John, alors qu'ils essaient tous les deux de surmonter leurs propres douleurs et pertes.