가까운 미래, 우주 항공 회사 가타카의 가장 우수한 인력으로 손꼽히고 있는 제롬 머로우는 큰 키에 잘생긴 외모, 우주 과학에 대한 탁월한 지식과 냉철함, 그리고 완벽한 우성 인자를 갖추고 있다. 토성 비행 일정을 일주일 남겨두고 흥분해 있는 그의 과거는 우주 비행은 꿈도 꾸지 못할 DNA 열등생 부적격자 빈센트 프리만이었다. 부모님의 사랑으로 태어난 신의 아이 빈센트의 운명은 심장 질환에, 범죄자의 가능성을 지니고, 31살에 사망하는 것이었다. 빈센트의 운명에 좌절한 부모는 시험관 수정을 통해 완벽한 유전인자를 가진 그의 동생 안톤을 출산한다.

어린 시절부터 우주에 대한 남다른 관심을 가지고 있던 빈센트는 부모의 만류에도 불구하고, 우주 비행사가 되는 꿈을 펼쳐 나간다. 그러나 성인이 된 후 그는 DNA 때문에 우주 비행사가 되는 그 어떤 시험이나 면접도 통과하지 못하는 자신의 운명을 발견하고, 집을 나간다. 동생과의 수영 시합 중에 바다 한 가운데서 익사하려는 동생을 구해냈을 때 힘은 유전인자에서 나오는 것이 아니라 정신에서 나오는 것이다라는 믿음과 자신을 간직한 채, 청소부 생활을 전전하던 빈센트는 불구가 된 수영선수 출신의 젊은 이와 비밀스런 계약을 맺고 이 우성인자를 지닌 자로 위장하는데.. 직장에서는 아이린(우마 써먼 분)과 사랑에 빠지는 행운까지 누리게 되고...