Em 2154, parte da população terrestre vive em Elysium, uma gigantesca nave espacial disponível apenas para os mais ricos, onde qualquer doença ou ferimento são rapidamente curados em máquinas médicas (chamadas de "Med-Bays"). O resto da população mora na Terra, superpopulosa, decadente e patrulhada por robôs-policiais truculentos.

Max Da Costa (Matt Damon), é um dos habitantes pobres. Um ex-ladrão de carros, ele mora em Los Angeles, onde trabalha para a Armadyne Corp, a companhia que construiu Elysium. Um dia, Max sofre um acidente na fábrica e é exposto a uma dose letal de radiação. Um robô o avisa de que só tem cinco dias de vida.

Enquanto isso, três naves clandestinas se dirigem a Elysium, de onde a secretária de defesa Jessica Delacourt (Jodie Foster) ordena que seu mercenário na Terra, Kruger (Sharlto Copley), abata as naves. Ele destrói duas delas. Os passageiros da única que consegue pousar acabam sendo recapturados e extraditados de volta para o planeta. O presidente de Elysium, Patel (Faran Tahir), repreende-a por ter matado civis e violado direitos humanos. Jessica, obcecada pela proteção da estação espacial, articula um golpe em Elysium com a ajuda de John Carlyle (William Fichtner), CEO da Armadyne. Ela pede que o empresário escreva um programa de computador que possa forçar a reinicialização do sistema central de Elysium e torná-la presidente. John elabora o programa e o carrega em seu cérebro, protegendo o código com um sistema que mata o possuidor do conhecimento caso alguém tente roubá-lo.