Sahara francés, 1933...Bill Lancaster, famoso piloto inglés desaparece en el desierto durante un intento de récord de travesía entre Londres y la ciudad del Cabo. Su amante, la intrépida aviadora Marie Vallières de Beaumont (Marion Cotillard) tiene una única obsesión: encontrarlo. Al sobrevolar el Teneré, la joven mujer se ve obligada a aterrizar con su biplano cerca de un puesto avanzado de meharistas franceses. El capitán Vincent Brosseau la acoge, pero se niega a ayudarla. Preocupado por las rebeliones tuaregs, no autoriza ninguna operación de rescate. Ante la determinación de Marie, el teniente Antoine Chauvet (Guillaume Canet) intenta disuadirla de continuar esta búsqueda desesperada en un lugar tan hostil como el Teneré. Pero no sirve de nada. Para continuar su búsqueda, la aviadora se une a una expedición dirigida por la compañía meharista en territorio Tuareg. Durante esta misión de alto riesgo, Antoine, en desacuerdo con su jerarquía, y Marie se unirán. En ese desierto que no miente y en el abandono que impone, descubrirán una verdad insospechada.