Op de avond van 4 juli 1978 in Fort Lauderdale, Florida, loopt de 12-jarige David Freeman door het bos om zijn 8-jarige jongere broertje Jeff op te halen bij het huis van een vriend, wanneer hij per ongeluk in een ravijn valt en bewusteloos raakt. Als hij bijkomt, ontdekt hij dat er acht jaar zijn verstreken en dat het nu 1986 is. De politie is geschokt dat David op precies dezelfde foto op een poster van een vermist kind past en helemaal niet ouder is geworden. David wordt herenigd met zijn bejaarde ouders en de nu 16-jarige Jeff.
Tussen stort een buitenaards ruimteschip neer door hoogspanningskabels en wordt prompt gevangen genomen door NASA. David wordt naar het ziekenhuis gebracht voor tests, waar zijn hersengolven beelden van het ruimteschip onthullen. Dr. Louis Faraday, die het ruimteschip sinds zijn aankomst heeft bestudeerd, haalt David over om voor slechts 48 uur naar een NASA onderzoeksfaciliteit te komen voor extra tests, en belooft hem dat ze hem kunnen helpen de waarheid te achterhalen over wat er met hem is gebeurd. Daar ontdekt Dr. Faraday dat Davids geest gevuld is met buitenaardse technische handleidingen en sterrenkaarten over uitgestrektheden van het melkwegstelsel die het onderzoek van de NASA ver te boven gaan. Hij vertelt de wetenschappers dat hij in iets meer dan 2,2 uur naar een planeet genaamd Phaelon is gebracht, 560 lichtjaar verderop. Ze realiseren zich dat hij een ernstige tijddilatatie heeft ervaren als gevolg van het feit dat hij sneller dan de lichtsnelheid heeft gereisd, wat verklaart waarom er op Aarde acht jaar zijn verstreken, maar voor hem niet. Hij is niet in staat te begrijpen wat Dr. Faraday hem vertelt en vlucht de kamer uit, waardoor Dr. Faraday besluit David opgesloten te houden om zijn onderzoek af te maken, waarmee hij zijn belofte van 48 uur ernstig breekt.
De volgende ochtend, na een telepathische communicatie van het ruimteschip, gaat David stiekem aan boord en ontmoet de robotachtige commandant, “Trimaxion Drone Ship” (of kortweg “Max”), die naar David verwijst als de “Navigator”. Nadat ze uit de faciliteit zijn ontsnapt, vertelt Max David dat zijn missie was om door de melkweg te reizen, biologische monsters te verzamelen, deze naar Phaelon te brengen voor analyse, en ze dan terug te brengen naar hun huizen. Phaelon’s wetenschappers ontdekten dat mensen maar 10% van hun brein gebruiken en vulden, bij wijze van experiment, de rest van Davids brein met allerlei informatie. Dit omvat alle sterrenkaarten ontdekt door Phaelon’s astronomen, waarvan sommige werden getoond aan de NASA wetenschappers tijdens David’s ondervraging. Max bracht hem daarna terug naar de Aarde, maar nam hem niet mee terug naar zijn eigen tijd, omdat hij had vastgesteld dat een mens een reis terug in de tijd waarschijnlijk niet zou overleven. Voordat hij de Aarde verliet, liet Max per ongeluk het ruimteschip neerstorten, waardoor alle sterrenkaarten en gegevens van de computer werden gewist. Daarom heeft hij de informatie in Davids hersenen nodig om naar huis terug te keren.
Terwijl Max het ruimteschip programmeert voor een geestoverdracht, krijgt David de andere overgebleven buitenaardse exemplaren aan boord te zien, en krijgt hij een band met een “Puckmaren”, een klein vleermuisachtig wezen dat de laatste van zijn soort is nadat een komeet zijn planeet heeft vernietigd. Max voert de mind transfer uit op David om de sterrenkaarten terug te krijgen, maar in het proces krijgt hij ook menselijke emotionele attributen, waardoor Max zich excentriek gaat gedragen en rare grappen gaat maken. Hij en David beginnen te kibbelen, en hun capriolen leiden tot verschillende UFO-meldingen in Tokio en de VS. Ondertussen neemt NASA-stagiaire Carolyn McAdams, die bevriend is geraakt met David, contact op met Davids familie en vertelt hen over zijn ontsnapping in het ruimteschip; als gevolg daarvan laat Dr. Faraday hen opsluiten in het huis, en Carolyn wordt teruggestuurd naar de faciliteit.
Wanneer het ruimteschip stopt bij een benzinestation in de Florida Keys, belt David Jeff en vraagt hem een signaal te sturen om hun nieuwe huis te lokaliseren, en Jeff steekt vuurwerk af op het dak. David en Max arriveren bij het huis, maar NASA agenten, die elke beweging van het ruimteschip hebben gevolgd, zijn er eerder. Omdat hij vreest dat hij levenslang in een inrichting zal worden opgenomen als hij in 1986 blijft, beveelt hij Max hem terug te brengen naar 1978. Max waarschuwt dat dit David zou kunnen verdampen, maar David accepteert het risico. Na de reis terug in de tijd, wordt hij wakker in het ravijn, loopt naar huis, en vindt alles zoals hij het achterliet. Tijdens de viering van Fourth of July is Jeff verbaasd de Puckmaren in Davids rugzak te zien; David zegt hem het geheim te houden terwijl Max naar huis vliegt over de door vuurwerk verlichte hemel, met de opmerking “Tot later, navigator!”.