Londres, 1862. O cientista James Glaisher (Eddie Redmayne) está prestes a realizar o grande sonho de sua vida, ao iniciar uma viagem de balão de forma a pesquisar formas de se prever a metereologia. Sua companheira de biagem é Amelia Wren (Felicity Jones), veterana do balonismo que topou o desafio após um grande trauma em sua viagem anterior, quando seu marido faleceu. Juntos, eles enfrentam uma aventura rumo ao céus na tentativa de chegar a uma altitude inédita até então a qualquer ser humano.