La guerra épica entre el hombre y la máquina alcanza un tremendo clímax: el ejército de Zion, ayudado por valerosos voluntarios civiles como Zee y el Chico, lucha desesperadamente para contener la invasión de los Centinelas mientras el ejército de las Máquinas se adentra en su fortaleza. Enfrentándose a la aniquilación total, los ciudadanos del último bastión de humanidad luchan no sólo por sus propias vidas, sino también por el futuro de la humanidad.

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.