1860年代的伦敦，天空仍是人类未曾征服的疆域。阿米莉亚·雷恩斯（菲丽希缇·琼斯饰）的马车突然停在街角，她急促的呼吸在寒夜凝成白雾。当小男孩举着风车奔向广场时，她攥紧了手中褪色的热气球刺绣手帕——那里，一个缀满彩带的巨型气球正在升腾，而执拗的气象学家詹姆斯·格莱舍（埃迪·雷德梅恩饰）正第三次调整他的气压计。
这场看似荒诞的飞行计划始于皇家学会的哄堂大笑。当詹姆斯提出"用科学驯服天气"的狂想时，连壁炉里的炭火都爆出讥诮的火星。查尔斯·格林带头将演算稿抛向空中，纸页如受惊的白鸽四散逃窜。但没人注意到，观众席最后一排，戴着黑纱的女士正用铅笔描摹他颤抖的手势——那是刚失去丈夫的传奇女飞行员阿米莉亚。
云层之上的搏杀比预想更惨烈。冰晶在缆绳上生长出獠牙，飓风将吊篮变成暴怒海神手中的骰子盅。当詹姆斯为抢救数据险些坠出篮外时，阿米莉亚突然看见亡夫皮埃尔的幻影站在云端。"那次坠落时，他最后的表情是微笑"，这个从未示人的秘密随着海拔攀升逐渐浮出水面。而在28000英尺的平流层，成群的燕尾蝶正穿越稀薄空气，如同上帝随手撒落的彩色纽扣。
温度计的水银柱在绝望中凝固。当詹姆斯固执地扔掉最后一件大衣时，阿米莉亚的指甲已呈现诡异的青灰色。更致命的是，结冰的排气阀将气球变成悬空的铁棺材。在人类从未抵达的高度，她开始用冻僵的手指解开安全绳——这不是自杀，而是一场与亡魂的谈判。皮埃尔当年纵身跃下的身影，此刻在稀薄空气中愈发清晰。
坠落比上升更惊心动魄。当气球骨架在树冠间撕开裂帛般的声响时，雪地里相拥的两人却笑出声来。他们不知道，这次疯狂飞行采集的数据，将孕育出世界上第一份天气预报。片尾再次升空的热气球里，詹姆斯终于放下气压计，和阿米莉亚共饮那瓶原本用于保存标本的白兰地——有些发现，本就不需要仪器证明。
【冷知识彩蛋】影片中蝴蝶群的设定源自真实记载：1883年喀拉喀托火山爆发后，飞行员确实在万米高空发现过迁徙的蝴蝶群。而历史上格莱舍的飞行记录显示，当时温度低至-30°C时，他的钢笔墨水确实冻结在了记事本上。