Saara francês, 1933. Bill Lancaster, famoso piloto inglês, desaparece no deserto durante uma tentativa de record na travessia entre Londres e o Cabo. Sua esposa, a aviadora aventureira Marie Vallières de Beaumont (Marion Cotillard), tem uma única obsessão: encontrá-lo. Ao sobrevoar o deserto, a jovem é obrigada a aterrissar seu avião perto de um posto avançado de legionários franceses. O capitão Vincent Brosseau (Guillaume Marquet) a acolhe, mas se recusa a ajudá-la. Preocupado com as rebeliões tuaregs, o comando de Argel não autoriza o envio de ajuda. Confrontado com a determinação de Marie, o tenente Antoine Chauvet (Guillaume Canet) tenta dissuiadi-la da idéia de continuar sua busca desesperada em um local enorme e hostil como é o deserto. Nada funciona. Para continuar sua busca, ela se une a uma perigosa expedição pelos legionários em território Tuareg.