Sarah (Eva Green) er en astronaut som er i Köln hos European Space Agency for å trene til et års langt oppdrag på Den Internasjonale Romstasjonen. I treningsprogrammet der er hun den eneste kvinnen. I det siste oppdraget før ferden til mars, er det mye som står på spill - ikke minst privat. Sarah går gjennom enorme fysiske påkjenninger, men kanskje enda mer psykisk når hun er adskilt fra datteren og må dra på en jobbreise hun kanskje aldri kommer tilbake fra. Proxima er spilt inn på location i de samme fasilitetene ekte astronauter trener i.