Cowboys & Aliens sucede en 1873, en el territorio de Arizona, en pleno viejo oeste norteamericano, donde un hombre solitario despierta en el desierto, sin memoria, herido y con un extraño brazalete en su brazo. Cuando tres bandoleros lo atacan, el misterioso se defiende, logra abatirlos y tomar sus pertenencias, ropa, armas y caballo, para adentrarse en el pequeño pueblo de Absolution. Al llegar, sin embargo, es confundido con un hombre de condición ilegal e intenta arrestarlo, sin éxito. Su escape ha llamado la atención del coronel Woodrow Dolarhyde, un barón del ganado con problemas con las autoridades del pueblo, puesto que su hijo esta acusado y a punto de recibir sentencia. Cuando Dolarhyde pretende llevar a cabo un ataque para rescatarlo, una serie de naves espaciales aparecen atacando el lugar y secuestrando a algunos pobladores, incluyendo el hijo del coronel, quien, conociendo la historia del extraño recién llegado, busca su ayuda para combatir a los invasores y rescatar a los abducidos.
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