2003年5月9日。“小惑星イトカワのカケラを拾って地球に持ち帰る”という、成功すれば人類初の快挙となるミッションを帯びて、鹿児島県内之浦から、小惑星探査機“はやぶさ”が打ち上げられた。このプロジェクトには、プロジェクトマネージャーの江本智彦（大杉漣）のもと、若手スタッフとしてエンジニア助手の大橋健人（藤原竜也）、新人理学博士の野村奈緒子（杏）らも参加していた。同年12月。“はやぶさ”が順調な航行を始めた頃、打ち上げから5年半を経過した火星探査機“のぞみ”が、度重なるトラブルと故障のため、プロジェクトを終了。火星に辿り着くことなく宇宙に消えた。プロジェクトマネージャーだった健人の父・伊佐夫（三浦友和）は、税金を無駄にしたと、非難の矢面に立たされる。打ち上げから2年。いつの間にか“はやぶさ”は、宇宙に夢を抱く人々が願いを託す存在となっていた。健人の同僚、大吾（田中直樹）の息子・風也（前田旺志郎）も、母・多美（森口瑶子）の病気の回復を“はやぶさ”プロジェクトの成功に託していた。そんな風也を励ます健人の悩みは、父のこと。人生の大半を“のぞみ”に賭けてきた父は引退し、自分を責め続けていた。世間との関わりを避けて、同じ道を進む息子の健人にさえ心を開こうとしない……。2005年11月。イトカワ付近に到着した“はやぶさ”だったが、姿勢を崩して不時着。リスクを冒して2回目のタッチダウンに挑み、見事成功させる。さらに、燃料漏れや通信途絶といった度重なるトラブルを、チームワークとアイデアで奇跡的に乗り越え、“はやぶさ”は地球を目指す。その奇跡は、“はやぶさ”を見守る人々にもそれぞれの形で広がっていく。伊佐夫は社会復帰を決意、奈緒子からの講演会の依頼を引き受ける。多美の手術も成功。そして、2010年6月13日。ボロボロになりながら懸命に飛んだ“はやぶさ”は、ついに地球へ辿り着く……。