В 1967 году молодая женщина, изучающая астрофизику, оказывается в эпицентре политических репрессий. Её отец, уважаемый профессор, погибает от рук хунвэйбинов, а саму её клеймят как враждебный классовый элемент. Несмотря на это, её направляют в засекреченный научный комплекс, скрытый в степях Внутренней Монголии. Там, в условиях строжайшей секретности, группа исследователей пытается установить контакт, отправляя сигналы в космическую пустоту в надежде на ответ от иных миров.
Наши дни, 2024 год. В научном сообществе назревает тихая паника. Крупнейшие ускорители частиц по всей планете один за другим выдают аномальные данные, ставя под сомнение фундаментальные физические законы. Эта тревожная нестабильность совпадает с чередой необъяснимых смертей среди учёных, оформленных как самоубийства. Расследование этих инцидентов поручают детективу из Лондона. Он погружается в жизнь Оксфорда, пристально изучая окружение одной из погибших исследовательниц.
Среди её учениц — талантливая разработчица, работающая с нановолокнами. Её начинает преследовать навязчивая галлюцинация: перед глазами постоянно мерцают цифры, ведущие обратный отсчёт, смысл которого ей непонятен. Другая ученица, действуя на свой страх и риск, забирает у матери покойной странный артефакт — усовершенствованный шлем виртуальной реальности неясного назначения. Надев его, она погружается в симуляцию, в которой сталкивается с апокалиптическим сценарием. Её задача — предотвратить гибель целой цивилизации, обречённой на хаотическое существование под тремя нестабильными солнцами. Чтобы спасти её, необходимо решить головоломку их непредсказуемого движения — ту самую задачу трёх тел.