Astronaut Scott Kellys nuværende 12 måneder lange ophold på Den internationale rumstation tester menneskets grænse for rumrejser og skaber grundlag for en bemandet mission til Mars. Trods den teknologiske "komfort" på Den internationale rumstation, beskrives et år i rummet som indbegrebet af det ekstreme, som tager utroligt hårdt på fysikken. A Year in Space følger også den tidligere astronaut Mark Kelly, Scotts tvillingebror. I Kelly-brødrene har NASA en næsten perfekt forsøgsgruppe på to personer til biomedicinsk research. NASA følger Scotts fysiske og følelsesmæssige forandringer meget tæt, og hans biologiske funktioner helt ned på det molekylære niveau, mens han er i kredsløb. De håber at kunne finde frem til lige nøjagtigt, hvilke ændringer Scott gennemgår som resultat af de 12 måneder i rummet ved at sammenligne ham med hans identiske tvillingebror, Mark, på Jorden. Filmen fortæller historien om, hvad der skal til for at tilbringe et år i rummet, og derefter, med hjælp fra det NASA har lært af Kelly-brødrene, hvad det betyder for mennesket, hvis vi rejser til Mars eller længere. Den nærmeste fremtid når det gælder menneskets udforskning af rummet afhænger af, hvordan Kelly fungerer under sit år i rummet. For NASA, for Scott Kelly og hans familie, for de fantastiske udsigter til en bemandet rumrejse til Mars i vores levetid, kunne denne ekspedition ikke være mere vigtig. Dokumentarudsendelsen beskriver også den bredere historiske kontekst bag missionen, inklusive historien om udforskningen af rummet, den politiske baggrund med det russisk-amerikanske forhold, Scotts kollega i starten af missionen er den russiske astronaut Mikhail Korniyenk, samt de videnskabelige og konstruktionsmæssige problemer, der er ved rumrejser mellem planeter.