지구는 기하급수적으로 늘어가는 인구를 더 이상 감당할 수 없었고, 이에 사람이 살 수 있는 새로운 행성들이 개척되었고 우주연합이 이를 제어하기 시작했다. 식인 종족이 우주선을 납치하고, 사람들을 잡아 먹는 위험이 존재하는, 지금으로부터 500년 후의 미래.
여러가지 초능력을 가진 소녀 리버가 우주연합의 실험대상으로 키워지던 어느날, 그녀의 오빠 사이먼은 리버를 실험실로부터 구출하는데 성공한다. 그녀의 무의식에 우주연합의 치명적인 비밀이 숨겨져 있음을 안 연합의 무자비한 집행자는 두 사람의 행방을 쫒는다. 한편 은하계 내전에 참전했던 독립군 출신인 말콤 레이놀즈 선장은 자신의 우주선 세레니티호에 조, 워시 등의 충성심 가득한 부하들과 함께 돈이 되는 일이라면 무엇이든 하는 해결사로 생활한다. 사이먼은 이들의 우주선에 리버를 몰래 숨겨 탑승하게 되고, 이후 이 사실을 알게 된 우주선 일행은 두사람을 하선시키기로 결정한다. 우주선에서 내린 날 리버는 마을 술집의 모니터 영상을 보던 중 살인 병기로 돌변하지만, 사이먼의 한마디에 이내 폭주를 멈추고 잠이 들어 버린다. 잠든 리버를 데리고 우주선으로 돌아온 선장은 리버가 우주연합으로부터 쫒기고 있다는 사실을 알게 되고, 두 사람을 태운 것이 위험천만한 일임을 알게 되는데... 과연 리버가 간직한 우주연합의 비밀은 무엇이며, 그들 앞에 어떤 위험이 기다리고 있을까? 세레니티 일행은 우주연합으로부터 안전할 수 있을 것인가?