Cuando su padre (Tim Robbins) se va a trabajar, y los deja al cuidado de su hermana mayor (Kristen Stewart), Danny, de seis años (Jonah Bobo), y Walter, de diez (Josh Hutcherson), bien están sacándose de quicio uno al otro, o bien se aburren soberanamente.

Sus riñas aumentan y, cuando Walter empieza a perseguir a Danny, éste se esconde en un pequeño montacargas. Pero Walter lo sorprende y, para vengarse, baja a Danny hasta el oscuro y temido sótano, donde descubre el tablero de metal, antiguo y destrozado, de un juego de mesa llamado "Zathura"; después de intentar, sin éxito, que su hermano juegue con él, Danny empieza a jugar solo.

Desde la primera jugada, Danny se da cuenta de que no es un juego de mesa normal. La ficha de la nave espacial se mueve sola y, cuando aterriza en un espacio, expulsa una tarjeta que dice: "Lluvia de meteoritos, adopta tácticas evasivas"; inmediatamente, sobre la casa, empiezan a caer meteoritos fundidos y calientes.

Cuando Danny y Walter miran a través del gran agujero abierto en el techo, descubren con horror que han sido lanzados al profundo y oscuro espacio sideral.

Y no están solos.

Así comienza una aventura estimulante, a veces aterradora, y siempre impredecible. Danny y Walter comprenden que, a no ser que terminen el juego, quedarán atrapados en el espacio sideral para siempre. En cada turno se enfrentan a un obstáculo increíble tras otro: sin querer sumergen a su hermana Lisa en un profundo sueño criogenético, son perseguidos por un enloquecido y destartalado robot de seis pies, rescatan a un desamparado astronauta (Dax Shepard) y son asediados por Zorgons, criaturas carnívoras parecidas a lagartos.

Con ayuda del astronauta, Danny y Walter empiezan a dejar a un lado sus insignificantes diferencias fraternales, trabajan juntos para superar los obstáculos con los que se tropiezan e intentan terminar el juego para poder volver a casa.

Pero todos sus esfuerzos pueden ser en vano cuando se enfrentan al mayor reto: una batalla contra de una intensa fuerza gravitatoria que los empuja al vacío del oscuro planeta Zathura.