故事发生在1862年的伦敦，詹姆斯（埃迪·雷德梅恩EddieRedmayne饰）是一位非常有理想抱负的年轻科学家，致力于研究天气预报技术，然而，经济上的窘迫让他无法使用自己的热气球将研究成果带上天空，于是，他找到了名为艾米莉亚（菲丽希缇·琼斯FelicityJones饰）的女子。艾米莉亚是一个经验非常丰富的热气球飞行员，如今却沉溺在一段痛苦的往事之中无法自拔。她答应了詹姆斯的请求，两人共同驾驶着热气球开始了他们的冒险，并且凭借着智慧和勇气抵达了人类从未涉足过的高度。然而，当他们飞的越高，所要面对的危险就越大。
1862 年，伦敦，飞行员阿米莉亚·雷恩 (Amelia Wren) [N 1]和科学家詹姆斯·格莱舍 (James Glaisher)抵达伦敦，准备发射有史以来最大的气球。尽管阿米莉亚一直被已故丈夫皮埃尔的幻象所困扰，但她仍然勇敢地前行，气球成功地向欢呼的人群发射升空。在回忆中，詹姆斯出现在皇家学会面前并解释了他的天气可以预测的理论，但他的科学家同事嘲笑他并拒绝资助他的研究。回到家后，他与父母交谈，父母试图说服他追求另一条科学道路。在气球上，詹姆斯和阿米莉亚开始穿过云层上升。他们很快就遇到了一场猛烈的风暴，导致气球旋转。在回忆中，阿米莉亚被她的妹妹安东尼娅说服去参加一个社团活动。在那里，詹姆斯找到阿米莉亚，他问她是否愿意在私人资助的探险中驾驶他的气球，而他则试图证明他的理论，她同意了。
尽管詹姆斯在被抛来抛去时头部受伤，但他和阿米莉亚度过了难关，继续崛起。詹姆斯释放了五只鸽子中的第一只，上面携带着当前海拔信息以及其他科学读数，以防它们无法生存。他们发现了一股气流，这是一群蝴蝶的家园，证实了詹姆斯的朋友约翰·特鲁的理论，即昆虫可以在气流中旅行。在回忆中，当詹姆斯练习飞行时，阿米莉亚来告诉他她改变了主意。最终，气球的高度超过了 23,000 英尺（7.0 公里），打破了最高高度的记录。（Glaisher 估计他们的海拔高度约为 37,000 英尺，但后来计算为约 29,500 英尺[11].) 阿米莉亚惊讶地发现詹姆斯没有带任何适合迅速下降的气温的衣服，并决定开始下降。詹姆斯拒绝了，两人发生争执。阿米莉亚同意继续上升，但向詹姆斯明确表示他们必须很快开始下降。
在回忆中，约翰去见阿米莉亚，告诉她她有义务推进科学事业。阿米莉亚随后前往皮埃尔的坟墓进行反思。当开始下雪时（约翰告诉她詹姆斯已经预测到了），她最终决定和他一起去。在热气球中，詹姆斯开始缺氧但他们坚持继续前进并试图阻止阿米莉亚下降。直到阿米莉亚告诉他皮埃尔在热气球飞行中牺牲自己来救她的故事时，他才态度软化。阿米莉亚发现气球顶部的排气阀被冻结了。当詹姆斯失去知觉时，她别无选择，只能爬上气球的外部，从顶部打开阀门。由于她的手被冻伤，她努力将靴子楔入阀门，导致气体缓慢释放。阿米莉亚失去知觉并摔倒在地，但被绳子救了。
当她醒来时，阿米莉亚设法回到气球并唤醒了詹姆斯。当它们继续下降时，雪开始在它们周围盘旋，这表明气球因失去太多气体而正在塌陷。他们设法关闭气体释放装置，并把所有能扔到一边的东西都扔到一边，包括詹姆斯的所有装备。当这不起作用时，他们就会爬进框架并释放篮子。意识到阿米莉亚准备牺牲自己来救他，詹姆斯将气球的其余部分变成了降落伞，这减缓了他们的下降速度。他们穿过树林，重重地撞在地上，阿米莉亚被拖在气球后面。她醒来并呼唤詹姆斯，詹姆斯摇摇晃晃地向她走来。两人都受伤了，但他们很高兴自己能活下来，创下了 37,000 英尺（11.0 米）的新人类飞行高度记录。3公里）。詹姆斯的发现证明了大气层的存在，为第一个天气预报铺平了道路，他和阿米莉亚建造了一个新气球，这样他们就可以继续一起进行研究。