身患绝症的云天明买下一颗星星送给暗恋着的大学同学程心，而程心因参与（PIA）向三体舰队发射探测器的工作，却想让航天专业背景的他放弃安乐死，作为被执行人将大脑捐献给阶梯计划。与三体文明的战争使人类首次看到了宇宙黑暗的真相，地球文明因为黑暗森林打击的存在如临大敌，不敢在太空中暴露自己。在零道德的宇宙中发起黑暗战役的战舰被诱导返航，却受到有道德的地球文明审判。
不称职的懦弱少女程心被选来充当掌握地球命运的执剑人，她因为罗辑的成功将这看作一项只需花费时间的任务，刚刚任职水滴就向地球发动攻击，程心为了忠于人性做出了错误的决定。在警示下继续逃离的“蓝色空间”号，受到具有发射引力波能力的“万有引力”号与两个同行的“水滴”追击，其上的人员进入四维空间摧毁水滴并占领了“万有引力”号，启动引力波广播向宇宙公布了三体星系的坐标。
云天明与地球取得联系，通过讲述三个自己编创的童话故事，向程心透露大量情报；人类自以为悟出了生存竞争的秘密，开始进行掩体计划，维德领导的空间曲率驱动研究因为程心的错误判断被终止，使得人类最终没有能够逃脱被高级文明毁灭的命运。因为宇宙中还存在更强大的文明，战争的方式和武器已经远超出人类的想象，极高文明发出了一张卡片大小的“二向箔”，使整个太阳系压缩为二维平面而毁灭。
在地球人类接近灭亡之际，只有程心和艾AA两个幸存者乘坐光速飞船离开。罗辑成为设置于冥王星的地球文明博物馆的“守墓人”，她们在冥王星带走人类文明的精华。在云天明送的恒星的一颗行星上，程心遇到关一帆且探讨了宇宙降维的真相，然而超乎一切之上的力量要求宇宙归零重生，在黑域中穿越长达1800万年的时空……程心没有等到云天明到来，和关一帆在小宇宙中短暂居住后重新进入大宇宙生活。