A raíz de un desastre nuclear que dejó al mundo como un páramo radiactivo, una granjera llamada Ann (Margot Robbie) de alguna manera sobrevive, intacta por la destrucción. Ella cultiva alimentos, caza y obtiene agua de un pozo, temiendo que en realidad sea la última mujer en la tierra. Entonces, un extraño con un traje de radiación, Loomis (Chiwetel Ejiofor), un científico angustiado que casi se ha vuelto loco por la exposición a la radiación y su búsqueda desesperada de otros tropieza con su mundo. Ann lo ayuda a recuperar su salud y Loomis la ayuda a prepararse para el próximo invierno, enseñándole cosas y construyendo nuevas fuentes de energía. Poco a poco se enamoran, pero el mundo de la pareja se ve perturbado por la aparición de Caleb (Chris Pine), un charlatán de ojos azules que parece saber cómo conseguir lo que quiere. En Z for Zachariah, ¿puede el trío sobrevivir, o su química volátil llegará a un punto crítico?
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