Ellie Arroway è una bambina di 9 anni che si appassiona alle trasmissioni radio, passione tramandatale dal suo adorato padre, Ted, un radioamatore vedovo. Un giorno il padre ha un malore e deve prendere delle pastiglie, che si trovano al bagno della loro casa, due piani più sopra. La piccola Ellie, nonostante una corsa contro il tempo per prendere le pastiglie, non riesce, e il padre muore. Da qui Ellie perde la fede religiosa, e col passare degli anni si dedicherà completamente allo studio delle onde radio e poi alla ricerca di segnali di forme di vita alieni, diventando una stimata scienziata in questo campo. Ha così passato gli ultimi anni alla ricerca di vita extraterrestre nel cosmo, scandagliando lo spazio tramite radiotelescopi del progetto SETI con un gruppo di ricerca, in cui spicca Kent, mite e sensibile scienziato che, nonostante la cecità, si dimostra essere uno dei migliori collaboratori.

Un giorno, mentre si trova a Porto Rico, la protagonista incontra Joss Palmer, scrittore di forte fede cristiana, che si trova lì per raccogliere testimonianze di tipo antropologico e sociale sugli indigeni. Joss mette in dubbio la mancanza di fede di Ellie nel momento in cui, in risposta ad una richiesta di una dimostrazione scientifica di fede, lui le risponde di dimostrare il bene che voleva a suo padre. I due si innamorano, ma irrompe sulla scena David Drumlin, superiore di Ellie, che le annuncia del taglio dei fondi al progetto che lei aveva in cantiere. Ellie e Joss si perdono di vista.

Ellie si affanna a trovare nuovi fondi e si imbatte in una commissione scientifica che, inizialmente dubbiosa, su ordine di Hadden, un misterioso magnate definito “osservatore” (che stava osservando la conferenza tramite una videocamera) cambia idea e finanzia a Ellie un nuovo progetto. Per molto tempo non accade nulla, poi improvvisamente si rivela all’umanità uno strano segnale, che sembra proprio essere un misterioso messaggio dallo spazio: dapprima si vede solo il messaggio “superficiale”, ovvero il discorso di Adolf Hitler all’apertura delle Olimpiadi di Berlino 1936, tratto da una delle prime trasmissioni televisive, inviato per far capire ai terrestri di essere osservati dai mittenti del messaggio; in seguito, combinando il fotogramma che compone questo segnale, appare il vero messaggio: un progetto per la costruzione di una gigantesca macchina, molto probabilmente studiata per un trasporto interstellare.

La macchina viene costruita e preparata per l’uso. David si prende il merito della scoperta, nonostante esso fosse di Ellie. Una serie di piloti e scienziati vengono candidati ad essere scelti per utilizzare la capsula, che potrebbe condurli su un altro pianeta. Ellie è fra i candidati, ma il compito viene affidato a David, poiché alla domanda sulla propria fede in Dio risponde in modo affermativo, al contrario di Ellie, e per tanto avrebbe rappresentato meglio, complessivamente, gli ideali dell’America e dell’umanità.

Al momento del collaudo, però, un pazzo fanatico religioso, già visto in precedenza da Ellie nelle vesti di santone, si traveste da addetto ai lavori e si fa saltare in aria, distruggendo il gigantesco teletrasporto e uccidendo tutto lo staff, fra cui anche David. Si scopre a questo punto che il governo, per sicurezza, aveva fatto segretamente costruire un secondo teletrasportatore, nell’Hokkaido, in Giappone, e che essendo lei la seconda miglior candidata, sarebbe stato eseguito il lancio. Nel frattempo Hadden, che aveva aiutato Ellie (l’osservatore) dopo averla incontrata in aereo spiegandole che l’alta quota era l’unico modo per preservarlo da un tumore da cui era affetto, muore.

Alla partenza di Ellie per altri mondi troviamo le due persone più importanti per lei, che non aveva più visto: Kent, il suo adorato amico e compagno di lavoro, e Joss, il suo amore perduto, che nel frattempo è diventato uno scrittore di fama mondiale.

Ellie parte e ha quindi modo di viaggiare attraverso un tunnel spaziotemporale vedendo sistemi stellari extraterrestri, e approda su un corpo celeste ignoto, che ha l’aspetto di un bellissimo ricordo infantile, ossia l’aspetto che lei immaginava avesse una spiaggia di Pensacola, in Florida, uno dei contatti radio che da piccola trovò col padre. Avrebbe finalmente incontrato gli extraterrestri che da tempo cerca, i quali le parlano tramite un loro rappresentante che le compare con le sembianze di suo padre. Terminato questo commovente incontro, Ellie si ritrova nuovamente sulla Terra, quasi nello stesso istante della partenza, suscitando l’inevitabile scetticismo.

Ellie viene convocata davanti ad una commissione d’inchiesta, ma non può mostrare prove tangibili del suo viaggio e di quel che ha visto. In mancanza di prove, chiede che le credano per fede, dicendo di aver passato circa diciotto ore fra viaggio e incontro, al contrario di quanto è stato visto esternamente da tutti, cioè che lei avrebbe perso i contatti con la base per appena un istante a causa di un problema tecnico del macchinario teletrasportatore. Ellie viene per questo derisa e si sente esattamente come quando aveva criticato la fede di Joss, durante il loro primo incontro. Anche se la commissione non le crede – anzi arriva ad insinuare che tutta la storia sia una presunta mistificazione da parte di Hadden – è comunque rincuorata dal fatto che molta gente comune la crede sincera, a partire dal suo amato Joss, che ora è con lei.

Poco tempo dopo, il capo della commissione scopre una prova rilevante: Ellie aveva con sé una videocamera, che, nonostante mostrasse solo rumore bianco, aveva registrato esattamente per diciotto ore, proprio il tempo dichiarato da Ellie. La Casa Bianca allora decide di tenerla nascosta, ma anche di continuare a finanziare le ricerche di Ellie. La donna torna così ad occuparsi del progetto SETI e a cercare segnali dallo spazio.