В XXV веке Эд Мерсер получает командование исследовательским кораблём «Орвилл», который служит в Союзе планет. Он рассчитывает начать новую жизнь после развода, но узнаёт, что его первым помощником назначена бывшая жена Келли Грейсон. Им приходится забыть о личных обидах и научиться работать вместе. Вместе с пилотом Гордоном Мэллоем, врачом Клэр Финн, офицером Бортусом и андроидом Айзеком они отправляются исследовать незнакомые миры. Каждая экспедиция приносит новые трудности. Команда спасает обитателей огромного корабля, предотвращает нападения воинственных криллов и сталкивается с обычаями других цивилизаций, которые противоречат представлениям землян о справедливости. Постепенно отдельные происшествия перерастают в серьёзный межпланетный конфликт. Бортус пытается защитить свою дочь Топу от традиций родной планеты Моклус. Клэр сближается с Айзеком, который изучает человеческое поведение и привязывается к её детям. Но когда корабль прибывает на планету кайлонов, выясняется, что механическая цивилизация намерена уничтожить биологические виды. Айзеку приходится выбирать между собственным народом и людьми, ставшими ему близкими. Его решение помогает остановить нападение на Землю, однако последствия войны ещё долго сказываются на отношениях внутри экипажа. Позднее Эд пытается добиться мира с криллами и узнаёт, что у него есть дочь Анайя от Телеи, ставшей влиятельной правительницей своего народа. Одновременно обостряется конфликт с мокланцами, когда Келли и Бортус выступают на защиту Топы. После разрыва с Союзом Моклус заключает союз с криллами, а противостояние с кайлонами достигает опасной черты. Новое оружие способно уничтожить целую цивилизацию, и офицер Чарли Бёрк жертвует собой, чтобы не допустить массовой гибели. Это меняет позицию кайлонов и открывает путь к миру. На фоне этих событий Айзек и Клэр решают пожениться, а экипаж продолжает службу, несмотря на пережитые потери.