东极岛最后的出发者
中国最东端的小岛正在搬迁，岛民陆续离去。地理教师江河被调往遥远的西部任教，刚回乡的马浩汉决定开着新买的汽车送他横穿大陆。胡生也加入行程：他不熟悉外面的世界，却记得两位朋友从未像旁人那样轻视自己。三人还计划顺路探望离岛多年的周沫，以及与浩汉通信多年的刘莺莺。
临行前，浩汉试图烧掉自己的旧屋，给过去做一个决绝的了断。火势和爆炸却超出控制，胡生与周沫的旧宅也被波及。三人只得带着有限的行李乘船上岸；浩汉关于振兴故乡的设想尚未开始，旅程已经先以一次笨拙的破坏拉开序幕。
片场里的周沫
他们的第一站是影视基地。周沫没有成为浩汉和胡生想象中的明星，而是在不同剧组间辗转做替身和群众演员。胡生抱着礼物来见儿时的邻居，周沫仍热情接待三人，却必须不断换装、赶往下一场戏。熟人重逢带来的不是重返童年，而是彼此已经生活在完全不同的节奏里。
周沫坦言自己的生活并不体面，也没有多少挑选角色的余地。她与浩汉谈起旧日感情和刘莺莺，但没有要求谁留下。双方很快在片场道别：周沫继续去演她的下一个角色，浩汉一行则驶向下一个地方。同行者第一次意识到，记得彼此并不等于还能共享同一种人生。
苏米设下的旅馆骗局
当晚三人住进便宜旅馆。自称苏米的年轻女子进入江河房间，江河没有按她预想的方式行事，反而认真地同她谈生活。随后门外传来查房动静，江河相信苏米正在求救，便锁住房门、从窗户带她逃走；浩汉跟着跳窗上车，留在外面的胡生却没有赶上。从这一刻起，三人行变成了浩汉与江河的两人行。
他们在加油站被苏米的同伴和“三叔”追上，才知道所谓查房是一个敲诈骗局。苏米也并非真正需要被营救：她怀着孩子，打算靠这套办法攒钱去国外生产。江河仍试图劝她改变生活，苏米则拒绝把自己的选择交给一个刚认识的过客。她留下联系方式，最终跟三叔一行离开；江河想阻拦，却无法替她决定去向。
浩汉和江河打电话回旅馆寻找胡生，又托电台播出寻人消息，始终没有得到明确下落。影片此后也没有交代胡生去了哪里。这个空缺没有被一场正式告别填补，只有两人继续向西的汽车，提醒他们已经把朋友遗落在路上。
刘莺莺揭开的父亲真相
浩汉多年来把刘莺莺当作从未谋面的恋人，也一直相信父亲早年死于海上风暴。到达刘莺莺经营的台球厅后，他才发现两种认知都建立在隐瞒之上。刘莺莺一边击球，一边告诉他：父亲当年没有遇难，而是离开东极岛去找她和母亲；两人最初通信，是父亲想借她了解儿子的近况。
后来父亲去世，刘莺莺仍独自读完浩汉寄来的每封信。她没有把两人的关系解释成浩汉期待的爱情，也没有给父亲塑造一个更好看的结局。横在两人之间的台球桌，让这场迟到十九年的见面始终保持着距离。浩汉听完真相后离开，关于父亲的英雄想象和关于莺莺的未来同时落空。
马达与旅人阿吕
继续上路后，浩汉和江河的钱与苏米留下的卡片被风吹散，汽车挡风玻璃也被人拆走。两人带着头盔勉强前行，又在路边捡到一只小狗，把它取名“马达”。当他们在荒野迷路时，独自徒步的阿吕出现了。阿吕自称骑车走过漫长旅程，只因摩托车被偷才改为步行；他熟悉道路，也用见闻轻易打破江河对“世界观”的自信。
浩汉很快把阿吕当作志趣相投的旅人。三人修车、赶路，在夜里谈起旅行者一号和即将升空的卫星。阿吕坚持想去看发射，浩汉却要先送江河按时报到。次日两人休息时，阿吕独自驾车离开，只在荒地上卸下他们的行李、马达和一张照片。
汽车被开走之后
浩汉和江河目送汽车远去，终于确认阿吕不会回来。他们没有交通工具，离目的地却仍有很长一段路。江河认为阿吕或许另有苦衷，浩汉则无法接受胡生失散、苏米设局和阿吕偷车离去都能用善意解释。一路压下的责任因此集中爆发。
两人从争论变成扭打，互相翻出旅途中所有失败：胡生被落下、江河未能挽留苏米、刘莺莺揭开真相，以及对陌生人的轻信。附近的火箭恰在此时升空，却很快在空中爆炸，残骸落入荒地。浩汉与江河停下争斗，站在残骸旁重新谈论接下来的路。
江河仍要向西走到任教地，也开始想象继续横穿更远的地方；浩汉则不再相信一场旅途天然具有意义。他把马达留给江河，独自朝另一个方向离开。镜头只确认两人在荒地分手：浩汉渐渐走远，江河随后带着狗走入雾中的山路，影片没有展示两人此后的现实命运。
《旅行者》与没有说明的后来
结尾转入“后来”的叙述：江河写成名为《旅行者》的书，旅途中的故事被传播；东极岛变成游客到访的地方，周沫出现在渡船的电视节目里，苏米则在船上靠在江河身旁。浩汉没有出现在这组后来画面中。影片把它们放在《旅行者》被提及之后，并未明确区分哪些是现实中的后来、哪些是书里为旅程补写的结局。
最后，画面又回到浩汉与江河仍坐在汽车里的时刻。他们谈论一部故事应该怎样结束，也谈到人们分别时总想留下最后一句话。电影没有替每个离开的人安排确定归宿，而是停在一次平常的对话里：从东极岛出发的人一路不断相遇，也不断在尚未准备好时说再见。