De in 1977 gelanceerde ruimtesonde Voyager 2 had een gouden fonografische schijf aan boord met een vredesboodschap, waarin buitenaardse beschavingen werden uitgenodigd de aarde te bezoeken. De sonde wordt onderschept door een vreemde planeet, die een klein verkenningsschip stuurt om het eerste contact met de aarde te leggen. In plaats van het buitenaardse vaartuig te begroeten, schiet de Amerikaanse regering het neer. Het toestel stort neer in Chequamegon Bay, Wisconsin. De eenzame buitenaardse inzittende, die eruit ziet als een drijvende bal van gloeiende energie, vindt het huis van Jenny Hayden, die pas weduwe is geworden. Daar gebruikt de alien een haarlok van haar overleden man, Scott, om een nieuw lichaam voor zichzelf te klonen terwijl een doodsbange Jenny toekijkt. De alien “Starman” heeft zeven kleine zilveren bollen bij zich die energie leveren om wonderbaarlijke prestaties te verrichten. Hij gebruikt de eerste om een bericht naar zijn volk te sturen waarin staat dat de Aarde vijandig is en dat zijn ruimteschip is vernietigd. Hij regelt een rendez-vous met hen over drie dagen. Daarna gebruikt hij de tweede bol om een holografische kaart van de Verenigde Staten te maken en Jenny te dwingen hem naar het rendez-vouspunt in Arizona te brengen.
Jenny is aanvankelijk zowel vijandig als bang voor hem en probeert te ontsnappen. De Starman, die de Engelse taal van de Voyager 2-schijf kent, leert met Jenny te communiceren en verzekert haar dat hij geen kwaad in de zin heeft. Hij legt uit dat hij zal sterven als hij het rendez-vouspunt, de Barringer Krater in Arizona, niet binnen drie dagen bereikt. Jenny leert hem autorijden en creditcards gebruiken zodat hij de reis alleen kan voortzetten, maar als ze ziet hoe hij op wonderbaarlijke wijze een dood hert tot leven wekt, is ze diep ontroerd en besluit ze bij hem te blijven. Ze worden achtervolgd door de autoriteiten en nadat ze bijna gepakt zijn, wordt Jenny neergeschoten en ernstig verwond door een politieagent. Om te ontsnappen crasht de Starman hun auto tegen een gastanker en gebruikt een andere bol om de twee te beschermen tegen de explosie. Ze schuilen in een caravan die wordt weggesleept. Hij gebruikt nog een zilveren bol om Jenny te genezen. Nadat hij ervan verzekerd is dat Jenny zal herstellen, gaat de Starman zonder haar liften naar Arizona, maar Jenny haalt hem in terwijl hij en zijn chauffeur bij een wegversperring worden tegengehouden. Herenigd, liften de twee samen verder naar de krater.
Terwijl ze in een treinwagon zitten, bedrijft het stel de liefde. De Starman zegt tegen Jenny: “Ik heb je vannacht een baby gegeven.” Jenny legt uit dat ze onvruchtbaar is en geen kinderen kan krijgen, maar hij verzekert haar dat ze nu zwanger is. Hij legt uit dat de baby de zoon van haar overleden man zal zijn, omdat hij (Starman) een kloon van Scott is, maar als kind van Starman ook, zal hun zoon alle kennis van de Starman bezitten en opgroeien tot een leraar. Starman biedt aan de zwangerschap te stoppen als zij dat wil, maar de dolgelukkige Jenny omhelst hem en accepteert het geschenk.
Het stel reist per vergissing te ver met de trein en komt in Las Vegas aan. Jenny realiseert zich dat ze haar portemonnee kwijt is. De Starman gebruikt een van hun laatste kwartjes in een gokautomaat, die hij manipuleert om de jackpot van $500.000 te winnen. Daarna kopen ze een nieuwe auto om hun reis naar Arizona te voltooien.
Tussen komt George Fox, directeur van de National Security Agency, te weten dat het traject van de Starman, voordat hij werd neergeschoten, naar de Barringer Krater ging. Fox regelt dat de Starman gevangen wordt genomen door het leger, dood of levend. SETI wetenschapper Mark Shermin, een andere regeringsfunctionaris die bij de zaak betrokken is, bekritiseert Fox’s hardhandige aanpak en herinnert hem eraan dat de Starman naar de Aarde was uitgenodigd. Ontzet als hij hoort dat Fox van plan is de alien te vivisecteren, besluit Shermin de Starman te helpen ontsnappen in plaats van Fox toe te staan hem te vangen.
Jenny en de nu langzaam stervende Starman bereiken de krater als legerhelikopters hen achtervolgen. Net als ze omsingeld zijn, verschijnt er een groot, bolvormig ruimteschip dat neerdaalt in de krater. Licht omringt het paar, en de Starman is onmiddellijk weer gezond. Terwijl hij zich klaarmaakt om te vertrekken, vertelt hij Jenny dat hij haar nooit meer zal zien. Jenny vraagt hem haar mee te nemen, maar hij zegt dat ze op zijn wereld zal sterven. Hij geeft haar dan zijn laatste zilveren bol en zegt haar dat hun zoon wel zal weten wat hij ermee moet doen. Jenny kijkt toe als het schip vertrekt.