В 26-м веке человечество колонизировало новую Солнечную систему. Центральные планеты образовали Альянс и выиграли войну против внешних планет Независимых, которые сопротивлялись присоединению к Альянсу. Ребенок-гений Ривер Тэм под влиянием ученых Альянса становится экстрасенсом и убийцей, но в подростковом возрасте ее спасает брат доктор Саймон Тэм. Во время обучения Ривер случайно прочитала мысли нескольких высокопоставленных правительственных чиновников и узнала их секреты. Поэтому агенту Альянса, известному только как Оперативник, поручено выследить ее.
Братья и сестры нашли убежище на борту транспортного корабля «Серенити» вместе с капитаном Малкольмом „Малом“ Рейнольдсом, первой помощницей Зои Уошберн, ее мужем, пилотом Хобаном «Уошем» Уошберном, наемницей Джейн Кобб и механиком Кейли Фрай. Несмотря на возражения Саймона, Мэл берет Ривер с собой на ограбление банка. Ривер предупреждает их о приближении дикарей и каннибалов Риверов. Им удается сбежать, но Саймон решает, что они с Ривер покинут «Серенити» в следующем порту. Однако, оказавшись там, сублиминальное сообщение в телевизионной рекламе заставляет Ривер напасть на многочисленных посетителей бара, и Мал возвращает братьев и сестер на борт корабля. Экипаж связывается с хакером-затворником Мистером Вселенная, который обнаруживает сообщение, призванное вызвать у Ривер психическое расстройство. Он отмечает, что перед нападением Ривер прошептала «Миранда», и предупреждает, что кто-то еще просмотрел запись.
Мал получает приглашение от куртизанки Инары Серра. Понимая, что это ловушка, Мал отправляется на встречу с оперативником, который обещает отпустить его на свободу, если он выдаст Ривер. Малу едва удается спастись. Миранда оказывается планетой, расположенной за пределами области пространства, кишащей Риверами. Экипаж летит на планету Хейвен, но обнаруживает, что она опустошена, а их старый друг Шепард Бук смертельно ранен. Они понимают, что Оперативник убил всех, кто предоставил им безопасное убежище, и будет продолжать, пока не получит Ривер.
Мал заставляет команду замаскировать «Серенити» под корабль Риверов, и они незамеченными добираются до Миранды. Они находят 30 миллионов колонистов мертвыми и запись, в которой говорится, что в атмосферу Миранды был добавлен экспериментальный химикат для подавления агрессии. Население стало настолько послушным, что перестало выполнять все повседневные действия и безмятежно умерло. У небольшой части из них была обратная реакция, и они стали безумно агрессивными и жестокими. Действия Альянса породили Риверов, и именно этот секрет хранился в подсознании Риверы.
Мистер Вселенная соглашается передать запись, но втайне предал команду Альянсу. Однако вместо того, чтобы заплатить ему, Оперативник убивает его и готовит засаду. Зная об этом, команда провоцирует флот Риверов на преследование их в сторону армады Альянса. Риверы и Альянс сражаются, а Уош пилотирует «Серенити» под перекрестным огнем. Он совершает аварийную посадку возле башни вещания, после чего его смертельно ранит копье Ривера.
Экипаж делает последний рывок против риверов, чтобы выиграть время для трансляции записи. Команда отступает за взрывоопасные двери, которые не закрываются должным образом. Саймона ранят, и Ривер ныряет в двери, чтобы отбросить аптечку Саймона и закрыть двери, прежде чем риверы утащат ее. У передатчика Мал сражается с оперативником, в конце концов подчиняет его себе и заставляет смотреть запись в эфире. Мал возвращается к команде. Открываются двери, и становится ясно, что Ривер убила всех риверов. Оперативник приказывает войскам Альянса отступить.
Оперативник предоставляет медицинскую помощь и ресурсы для ремонта «Серенити». Он говорит Мэлу, что трансляция ослабила правительство Альянса, но хотя он попытается убедить парламент, что Ривер и Саймон больше не представляют угрозы, он предупреждает, что они могут продолжить преследование в отместку за распространение информации. Серенити взлетает, а Ривер становится новым пилотом Мала.
