L'action de Firefly se déroule en 2517.

À la suite de l'épuisement de ses ressources, l'humanité a abandonné sa planète natale, la Terre, pour coloniser un nouveau système solaire. Par terraformation, des dizaines de planètes et des centaines de lunes ont ainsi été conditionnées pour accueillir des colonies. Les planètes centrales se sont regroupées, formant l'Alliance, dont les capitales sont Sihnon et Londinum. Les planètes extérieures sont elles restées indépendantes, du moins jusqu'à ce que l'Alliance décide que les règles de la civilisation devaient s'appliquer à tous. Une guerre dévastatrice s'ensuit, qui durera six longues années.

Finalement, lors du siège de Serenity Valley, les forces de l'Alliance, supérieures en nombre et bien mieux entraînées, remportent une victoire décisive sur les Indépendantistes. Parmi eux, le sergent Malcolm Reynolds. Miné par la défaite, ce dernier décide de vivre en marge de la société, vers les mondes extérieurs, là où l'Alliance n'a encore que peu, voire pas, d'influence. Il achète un vieux vaisseau, de classe Firefly, qu'il baptise Serenity.

Avec l'aide de Zoe Alleyne, son second, qui durant la guerre a combattu à ses côtés jusqu'à la fin, il engage un équipage et se met à vivre de petits boulots, plus ou moins légaux. Contrebande, transport de fret ou bien charter, pour Reynolds le plus important est de continuer à voler, à rester libre. C'est désormais tout ce qui compte.

• Nathan Fillion (VF : Thierry Kazazian): Malcolm « Mal » Reynolds, capitaine
• Gina Torres (VF : Géraldine Asselin) : Zoe Washburne, second
• Alan Tudyk (VF : Olivier Korol) : Hoban « Wash » Washburne, pilote
• Morena Baccarin (VF : Laurence Bréheret) : Inara Serra, Compagne
• Jewel Staite (VF : Céline Mauge) : Kaywinnet Lee « Kaylee » Frye, mécanicienne
• Adam Baldwin (VF : Pascal Germain) : Jayne Cobb, mercenaire
• Ron Glass (VF : Benoît Allemane) : Derrial Book, pasteur
• Sean Maher (VF : Philippe Siboulet) : Simon Tam, docteur
• Summer Glau (VF : Léa Gabrielle) : River Tam, sœur de Simon