第三部的主角是程心。她是联合国行星防御理事会战略情报局的员工，在对抗三体文明行动中，她所在的机构制定了“阶梯计划”，内容是向三体发送一颗人类的大脑，以期打入三体获取情报。在整个计划中，主角程心作为熟悉天文学的员工发挥了重要作用，一是提出了发射过程中的技术解决方案，二是发射的人类大脑是属于暗恋她很久患有绝症的同学云天明的。云天明匿名花费百万送了程心一颗恒星。云天明的大脑被送入了太空，但是发射不久就偏离了预定轨道不知去向，程心因愧疚要求进入冬眠。
若干年后，程心被联合国唤醒，因为艾AA发现她的星星带有行星，这颗星变得非常值钱，联合国想收回恒星使用权，此时正是更换“执剑人”罗辑的时机。在罗辑威胁三体后，三体和地球和平共处多年，可以通过三体机器人“智子”交流，也有丰富的科技文化交流，人们认为三体已不再威胁地球，而罗辑太危险不适合成为执剑人掌握地球命运。程心成为人们心中最适合的执剑人，原因是一她曾所在的机构成为传奇，二是她是和平主义者。
就在程心成为执剑人几分钟后，三体开始进攻地球，而程心没有发射三体星的坐标，导致三体摧毁了地球上所有的发射装置，地球即将被占领。“智子”要求人类全移居到澳大利亚，人类陷入混乱恐惧中。此时游离在宇宙中的太空军舰发射了“三体”的坐标，三体认为地球已变得危险放弃进攻地球，人类恢复了往日平静。
几年后，三体星被摧毁，地球人也担忧自己的命运。三体机器人“智子”在离开前，提出云天明要见程心，原来云天明的大脑在太空中被捕获，他已被复活。这时联合国又重燃希望，希望这次会面云天明告诉人类怎么躲开星球覆灭的命运。因为云天明和程心的会面是视频对话，对话内容被严格监控，三体文明不允许云天明告诉人类有关宇宙的相关信息，于是云天明告诉了程心几个童话故事。政府组织专家破解童话故事中的情报，最终制定了掩体计划、黑域计划、光速飞船计划，程心也开了一家公司研究光速飞船，此时程心以前的上司维德要求程心把公司交给他，由他来开发光速飞船，程心答应了他并进入冬眠，但提出如果他的研究威胁到人类生命，她将收回一切权力。
程心冬眠了几十年后醒来，这时人类已建造太空城，有人造黑洞，光速飞船也有进展，但联合国认为光速飞船会在宇宙中产生痕迹，是有危险的而禁止。维德坚持开发飞船，与政府产生激烈斗争。维德公司拥有有反物质武器，可以抵抗政府军。但是程心为了避免爆发战争，勒令维德投降，取消开发计划，维德同意了，交出了权力最后被处以死刑，程心再一次冬眠，并要求如末日打击来临，唤醒她。
末日打击来临，程心被唤醒带到冥王星见到罗辑，太阳系即将被二维化，掩体计划失败，程心明白了光速飞船是人类唯一出路，但为时已晚。罗辑最后在冥王星上与太阳系一起二维化，而程心和艾AA驾驶地球上唯一的光速飞船逃离了太阳系，决定到云天明送给她的星星那去，那颗星星有两个行星，一个蓝星，一个灰星。她们到达后蓝星后，遇到了太空军舰成员关一帆。在程心和关一帆考察灰星时，得知云天明也到达蓝星，在返程途中，由于不明原因程心和关一帆落入了黑域中，直到一千万年后才再度回到蓝星。
在蓝星上，程心发现了艾AA留下的遗言，以及云天明送给她的小宇宙，小宇宙为三体世界所制造，里面还有三体机器人“智子”，他们在小宇宙中生活，躲过了宇宙的塌缩。几十亿年后，宇宙中有文明发起了回归运动，要求小宇宙向向大宇宙归还质量防止宇宙死去。程心和关一帆决定将小宇宙质量归还给大宇宙，另选地方生活。但在回归前，程心刻意保留了位于小宇宙中的五公斤的生态球，宇宙的命运最终也不得而知。
