Phần mở đầu của cuốn sách viết kể về hành trình đến với vật lý thiên văn của ông và may mắn thay, nó lại gần như song hành với những khám phá vĩ đại nhất trong lĩnh vực này, dẫn tới dựng lại được toàn bộ lịch sử tiến hóa của vũ trụ. Tác giả đặc biệt nhấn mạnh mối tương liên khăng khít của vạn vật trong vũ trụ, trong đó có hành tinh xanh và con người chúng ta, đồng thời tác giả cũng thổ lộ những suy tư triết học của mình về thân phận và vai trò của con người trong vũ trụ. Phần thứ hai là bài viểt của khách mời gồm các triết gia, các nhà khoa học và các văn nghệ sĩ. Điểm nổi bật trong các bài viết này là mối quan tâm đầy lo âu đến vấn đề môi trường trong đó có khí quyển và sinh quyển của Trái Đất chúng ta đang bị con người phá hoại một cách trầm trọng. Cuốn sách cũng đề cập tới vấn đề đạo đức trong thế giới hiện đại cũng như khả năng sống sót của con người.

Nếu từng có dịp đi tàu hỏa, bạn hẳn biết rằng hai đường ray phải song song với nhau để tàu có thể lăn bánh khắp mọi nơi. Thế nhưng nếu bạn đứng nhìn hai đường ray ấy, dường như chúng gặp nhau ở cuối tầm mắt và tàu không thể đi xa hơn nữa. Điều này thật không hợp lý, vì dù đứng ở Paris và không thể thấy Cannes, chúng ta vẫn có thể đón tàu từ Paris đến dự liên hoan phim tại Cannes. Nghịch lý hơn nữa, một nhà tư tưởng Hi Lạp cổ xưa đã lập luận rằng chuyến tàu của bạn phải đi hết một nửa quãng đường, rồi một nửa của quãng đường còn lại, rồi một nửa của quãng đường còn lại, rồi cứ tiếp tục đến vô hạn, và nếu thế bạn sẽ chẳng bao giờ đến nơi. Lập luận rất lôgic này rõ ràng lại không thực tế vì chúng ta luôn có thể đi bất cứ nơi đâu, như một em nhỏ giúp cụ già sang bên kia đường. Khi có được một thời gian vô hạn để du hành vào vũ trụ và chiêm ngưỡng vô số những vì sao, một lúc nào đó bạn sẽ tự hỏi tại sao trời lại tối về đêm. Mà chính sự hiển nhiên ấy cũng đã làm trăn trở bao thế hệ các nhà khoa học, và giúp họ dần làm sáng tỏ vị trí của hành tinh của loài người trong vô hạn của vũ trụ. Qua Khát vọng tới cái vô hạn, Giáo sư Trịnh Xuân Thuận sẽ đưa bạn du hành trong thế giới của Vô hạn, từ thế giới của cái nhỏ nhất đến thế giới của cái lớn nhất, và làm sao những thắc mắc hết sức bình thường đã dẫn đến những khám phá vĩ đại nhất của nhân loại.