Laika, Moskova sokaklarında hayatta kalma mücadelesi veren başıboş bir köpektir. Hayatı, soğuk bir kış gecesi değişir. O, ölümcül bir uzay yoluculuğu için seçilmiştir. İnsanlara güvenmeyen Laika, kaçmak için elinden gelen her şeyi yapmaya çalışır. Ta ki Nina ile tanışana kadar.

Babası Sovyet Uzay Programında bir bilim adamı olarak Nina, yalnız ve içine kapanık bir kızdır. Okuldaki en iyi arkadaşı Amerika'ya taşınınca Nina okul zorbalarıyla tek başına yüzleşmek zorunda kalır. Daha sonra yolu babasının işinden dolayı Laika'yla kesişir. 

Laika ve Nina, bilim laboratuvarında buluştuğunda yavaş yavaş birbirlerine bağlanırlar. Amerika Birleşik Devletleri ile Sovyetler Birliği arasındaki 'Uzay Yarışı' şiddetlenirken Laika ve Nina'nın arkadaşlıkları bu yarışın kurbanı olma tehlikesiyle karşı karşıya kalır.

Gerçek bir olaydan ilham alınan Yıldız Köpek, sizi, kalbinizde uzun süre kalacak olan yürek parçalayıcı hikâyeye çağırıyor.