С Земли отправляется первая в истории космическая миссия человека на Марс: первым стартует корабль, экипаж которого составляет капитан Уильям Д. Станафорт, через несколько дней вслед за ним летит второй корабль с капитаном Эмили Мэддокс. Полёт должен продлиться 270 дней.
В центре повествования — полёт капитана Станафорта. Важную роль для успеха его миссии играет изобретённый им реактор, который извлекает водород и кислород из почвы и рекомбинирует их в питьевую воду. Таким образом, и в полёте, и на Марсе Станафорт сможет добывать воду. На Земле Станафорт проводил испытания своего реактора в пустыне Атакама, и только после этого полёт был признан возможным.
По пути к Марсу Станафорд посещает космическую станцию, на которой забирает приготовленный для него груз. Он видит, что оба члена экипажа на станции морально подавлены длительным пребыванием в космосе и неудачным экспериментом (погибли все взятые ими в космос животные и растения). Тем не менее, сам Станафорд полон оптимизма: он поливает растения, извлекает воду из реактора, занимается спортом, читает, пишет дневник, отвечает на вопросы студентов, которые выходят с ним на связь. Контролирует полёт Станафорта и Мэддокс Луис Скиннер («Скинни»), вероятно, близкий друг Станафорта.
По прошествии нескольких десятков дней полёта миссию Мэддокс решено прекратить из-за неисправностей на её корабле, и она берёт курс назад. Проблемы возникают и у Станафорта: однажды короткое замыкание в реакторе приводит к загрязнению запаса питьевой воды, а при починке реактора часть аппарата сгорает. Станафорт, однако, не сообщает на Землю о происшествии, понимая, что в этом случае его также вернут обратно. Он вспоминает свои неудачные попытки получения воды из почвы в пустыне.
Реактор починить не удаётся, и воды Станафорту должно с трудом хватить лишь до конца полёта. Со временем Скиннер понимает, что на корабле Станафорта возникли проблемы, и предлагает ему подготовиться к обратному полёту на Землю. Но Станафорт берёт управление на себя и отключает связь с Землёй. Через несколько месяцев он достигает Марса и успешно садится на поверхность. Он выходит из корабля и осматривает марсианский ландшафт.
