बौआ सिंह (शाहरुख खान) एक 38 साल का बौना आदमी है, जिसे अपने जीवनसाथी की तलाश रहती है। बाद में उसकी मुलाक़ात एनएसएआर (नासा का काल्पनिक नाम) की वैज्ञानिक, आफिया (अनुष्का शर्मा) होती है। वे दोनों एक दूसरे से प्यार करने लगते हैं, पर पाँच महीने बाद वो उसे छोड़ देता है। हालांकि आफिया वापस उसके पास आती है और बौआ के माता-पिता उन दोनों की शादी तय कर देते हैं। शादी के दिन बौआ का दोस्त, गुड्डू उसे एक छोटे से नाचने की प्रतियोगिता के बारे में बताता है, जिसमें जीतने वाले को बबीता कुमारी (कैटरीना कैफ) से मिलने का मौका मिलेगा। वो उस प्रतियोगिता में भाग लेने के लिए शादी छोड़ कर भाग जाता है, जिससे सभी लोग दुःखी हो जाते हैं।

बौआ उस प्रतियोगिता को जीत जाता है और उसे पार्टी में बबीता से मिलने का मौका मिलता है। बौआ के चेहरे के भाव देख कर दिमाग में क्या चल रहा है, बताने के कारण वो उसे उसके साथ काम करने का ऑफर देती है, जिसे बौआ स्वीकार भी कर लेता है। वो अब बबीता के साथ फिल्म के निर्माण से लेकर पुरस्कार समारोह तक साथ रहता है और उसके पूर्व प्रेमी आदित्य कपूर (अभय देओल) के साथ उसके टूटे रिश्ते को वापस जोड़ भी देता है। एक दिन उसे अपनी गलतियों का एहसास होता है और वो आफिया के पास वापस जाने की सोचता है और जानबुझ कर बबीता के पार्टी में विवाद खड़ा कर देता है, जिससे वो बौआ को अपने पार्टी से बाहर कर देती है और साथ ही आदित्य के साथ भी अपना रिश्ता तोड़ देती है।

बौआ और गुड्डू किसी तरह न्यू वर्क में आफिया से मिलने आते हैं। सेमिनार में वो आफिया से मिलने की कोशिश करता है, पर आफिया उसे देखने से भी इंकार कर देती है। आफिया के पिता बौआ से कहते हैं कि वो उसके बच्चे की माँ बनने वाली थी, इस कारण वो उससे शादी करना चाहती थी। बौआ का दिल टूट जाता है और वो शहर छोड़ कर जाने की सोचता है, पर बाद में वो फिर से आफिया से मिलने की कोशिश करता है। वो उससे दोबारा मिलता है, पर आफिया उसे स्वीकार नहीं करती है।

बौआ को पता चलता है कि एक कार्यक्रम के तहत कुछ लोगों को मंगल ग्रह में भेजने की तैयारी हो रही है। वो भी उन लोगों में अपना नाम लिखवा लेता है और सारे टेस्ट में पास भी हो जाता है। इसके बाद बौआ को चुन लिया जाता है। रॉकेट को मंगल ग्रह में भेजने वाले दिन आफिया भी वहाँ आती है, जो अब श्रीनिवास से शादी करने वाली होती है। रॉकेट के लांच होने से पहले वो आफिया को बताता है कि वो हमेशा उससे प्यार करते रहेगा। इसके बाद रॉकेट उड़ जाता है। बबीता और बाकी लोग टीवी पे ये लांच देखते हैं। उसमें दिखाया जाता है कि लांच सफल रहा और रॉकेट अब अंतरिक्ष में है। 

आफिया की आवाज में बताया जाता है कि बौआ अब मंगल ग्रह में आ चुका है और वो अपना वीडियो रिकॉर्ड कर के भेजता है। उसके वापस आते समय उसका रॉकेट अंतरिक्ष में कहीं गुम हो जाता है। आफिया अपनी शादी श्रीनिवास के साथ तोड़ देती है और बौआ का इंतजार करने लगती है। 15 साल बाद चीन के अंतरिक्ष स्टेशन वालों को बौआ के बारे में पता चलता है कि उसका एस्केप पॉड सागर में कहीं गिरा है। बाद में दिखाया जाता है कि बौआ जीवित है और 15 साल छोटा है।



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