Bill Lancaster, famoso piloto inglês, desaparece no deserto durante uma tentativa de record na travessia entre Londres e o Cabo.  A 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 o seu avião perto de um posto avançado de legionários franceses. O capitão Vincent Brosseau (Guillaume Marquet) acolhe-a, mas recusa-se 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 a sua busca desesperada num local enorme e hostil como é o deserto.

Nada funciona. Para continuar a sua busca, ela une-se a uma perigosa expedição pelos legionários em território Tuareg.