多くの映画監督や映像作家などに影響を与えたエドガー・ライス・バローズ原作による古典的ＳＦ小説を最新技術で映画化した3D冒険大作。監督は「WALL・E」のアンドルー・スタントンで、彼の初の実写作品となる。出演は大作での主演が続くテーラー・キッチュ、「ナンバー23」のリン・コリンズ、「キック・アス」のマーク・ストロングらのほか、ウィレム・デーフォーやサマンサ・モートンらがモーション・キャプチャーで、火星の緑色人サーク族を演じている。音楽はマイケル・ジアッチーノが担当。
1881年のニューヨーク。叔父ジョン・カーター（キッチュ）から呼び出しの手紙を受け取ったバローズ青年（ダリル・サバラ）は、その邸宅に到着するが、すでに叔父は死去。莫大な遺産と一冊の日記が彼に残された。そしてその日記には信じられないような叔父の冒険談が記されていた……
13年前、南北戦争で騎兵隊として従軍したカーターだが、妻子を失った体験から、二度と他者のために行動しないことを誓っていた。そんな彼にアパッチ族と戦う指令が下されるが、拒否した彼は拘束された末に脱走。追跡される途中、ある洞穴に逃げ込むと、そこに居合わせた謎めいた人物に襲われ、思わず銃で応戦。倒れた彼の持っていた不思議なメダリオンをつかんだカーターは、未知の世界へと瞬間移動してしまう。