Después del asesinato de su madre adoptiva en un atraco, los hermanos Mercer -el impulsivo Bobby, el seductor Angel, el padre de familia y hombre de negocios Jeremiah y el roquero duro Jack - se reúnen de nuevo para aclarar su muerte. Ya en la pista del asesino, no tardan en darse cuenta de que su habitual comportamiento tiene nuevas consecuencias.

La película se centra en el Capitán Malcolm Reynolds, un veterano de la Guerra Civil de las Galaxias, que ahora pilota la nave Serenity. Cuando Malcolm acuerda transportar a un joven doctor y a su inestable y telepática hermana, pronto se da cuenta que va a tener más problemas de los que creía cuando descubre que ambos pasajeros son fugitivos de la Alianza, la coalición que gobierna la galaxia, y que no van a detenerse hasta dar con ellos. La Serenity se ve en medio de una batalla entre las imparables fuerzas militares y los Ravers, salvajes bárbaros que vagan por los bordes del espacio.