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"Capricorn One", la première mission habitée vers Mars, est sur le pas de tir. Juste avant le décollage, les astronautes Charles Brubaker, Peter Willis et John Walker reçoivent soudainement l'ordre, de la part d'un responsable de la NASA, de quitter le vaisseau spatial. Déconcertés, ils sont transportés secrètement vers une base militaire abandonnée, située en plein désert. Le lancement a lieu comme prévu, le public ignorant que le vaisseau est en réalité vide.
Sur place, le directeur de la NASA, le Dr James Kelloway, informe les astronautes qu'une défaillance du système de survie les aurait inévitablement tués durant le vol. Il leur explique qu'ils doivent participer à la falsification des images télévisées censées provenir du voyage aller-retour vers Mars. Un nouvel échec spatial entraînerait une suppression des financements de la NASA, faisant perdre des milliards de dollars de profits aux entreprises privées partenaires. Pour s'assurer de leur coopération, Kelloway profère des menaces à l'encontre de leurs familles.
Les astronautes sont maintenus en captivité pendant toute la durée de la mission ; ils sont filmés comme s'ils avaient atterri sur Mars, alors qu'ils se trouvent en réalité dans un décor élaboré, aménagé sur la base pour reproduire la surface martienne. Au centre de contrôle, seuls quelques hauts responsables sont au courant du complot. Cependant, un technicien vigilant, Elliot Whitter, remarque une anomalie : le centre de contrôle reçoit les transmissions télévisées de l'équipage avant même que la télémétrie du vaisseau ne parvienne au sol. Whitter signale ce fait à ses supérieurs, dont Kelloway, mais ces derniers prétendent qu'il s'agit d'un simple dysfonctionnement informatique. Whitter fait part de ses soupçons à un ami journaliste de télévision, Robert Caulfield. Peu après, Whitter disparaît mystérieusement ; lorsqu'il se rend à son domicile le lendemain, Caulfield découvre qu'un autre individu y habite désormais et que toute trace de la vie récente de Whitter a été effacée. En quittant les lieux, Caulfield est victime d'un accident : son véhicule, qui a été saboté, finit sa course dans une rivière. Il en réchappe miraculeusement.
Au moment du retour sur Terre, le vaisseau spatial — toujours vide — se désintègre lors de sa rentrée dans l'atmosphère en raison d'un bouclier thermique défectueux ; un accident qui aurait été fatal aux astronautes s'ils avaient été à bord. Comprenant que les responsables du complot n'hésiteront pas à les éliminer pour préserver le secret, les astronautes parviennent à s'échapper à bord d'un petit avion. À court de carburant, ils sont contraints d'effectuer un atterrissage d'urgence dans le désert. Ils se séparent pour accroître leurs chances de trouver de l'aide et de révéler la supercherie. Kelloway lance alors des hélicoptères à leurs trousses. Willis et Walker sont retrouvés et tués, tandis que Brubaker parvient à échapper à ses poursuivants.
Après avoir visionné une conversation télévisée entre les astronautes et leurs épouses, Caulfield interroge Kay, la « veuve » de Brubaker. Kay Brubaker avait semblé déconcertée lorsque son mari a évoqué leurs dernières vacances en famille. Elle explique qu'ils s'étaient en réalité rendus dans un autre lieu, où était tourné un western. Brubaker avait été fasciné par la manière dont les effets spéciaux et la technologie parvenaient à créer une illusion de réalité.
Caulfield est convaincu qu'un homme comme Brubaker ne commettrait jamais une telle erreur et qu'il a peut-être cherché à faire passer un message à son épouse. En se rendant sur le plateau de tournage déserté, Caulfield essuie des tirs. Parallèlement, des agents fédéraux font irruption chez lui et l'arrêtent, prétextant la découverte de cocaïne qu'ils y ont eux-mêmes dissimulée. Exaspéré, son supérieur finit par payer sa caution, avant de le renvoyer.
Un ami journaliste informe Caulfield de l'existence d'une base militaire abandonnée, située à environ 480 km (300 miles) de Houston. Bien que le site soit désert, Caulfield y découvre un médaillon appartenant à Brubaker, confirmant ainsi le passage des astronautes en ces lieux. Caulfield engage alors Albain, un pilote spécialisé dans l'épandage agricole, pour survoler le désert. Ils repèrent deux hélicoptères et les suivent jusqu'à une station-service isolée et fermée, où se cache Brubaker. Ils parviennent à le récupérer alors qu'il tente d'échapper à ses poursuivants. Les hélicoptères prennent en chasse leur appareil à travers un canyon, mais finissent par s'écraser après qu'Albain les a aveuglés en libérant le produit d'épandage, permettant ainsi à l'avion de s'échapper.
Caulfield et Brubaker arrivent en pleine cérémonie commémorative en l'honneur des trois astronautes. Ils sont alors aperçus par Kelloway, Kay Brubaker, l'ensemble des personnes présentes, ainsi que par les caméras de télévision qui assurent la retransmission en direct de l'événement.
jusque où peut aller un gouvernement pour fabriquer un mensonge pour la planète et ensuite effacer les preuves gênantes