Año 1862. La piloto Amelia Wren (Felicity Jones) y el científico James Glaisher (Eddie Redmayne) deciden embarcarse en un viaje para descubrir los secretos del cielo, volando en un globo aeroestático más alto de lo que nadie lo había hecho antes. Pero al llegar a las capas más altas de la atmósfera, ambos comienzan a tener problemas con el oxigeno y la altitud, viéndose forzados a luchar por su propia superviviencia.