故事發生在1862年的倫敦，詹姆斯（埃迪·雷德梅恩飾）是一位致力于研究天氣預報技術的年輕科學家，因經濟窘迫無法通過熱氣球驗證理論數據。他找到經驗豐富的飛行員艾米莉亞（菲麗希緹·瓊斯飾），后者因丈夫死于熱氣球事故而陷入消沉。在科學理想與情感救贖的雙重驅動下，兩人決定共同挑戰突破人類飛行高度極限的任務。他們駕駛改裝熱氣球穿越極端天氣，持續記錄大氣數據，在氧氣稀薄的平流層邊緣險些昏迷。當熱氣球失控墜向阿爾卑斯山脈時，艾米莉亞憑借專業技能完成緊急迫降。這次飛行不僅驗證了高空大氣分層理論，更讓兩位主角走出各自困境——詹姆斯獲得關鍵數據支撐氣象學突破，艾米莉亞則重拾面對生命的高度與勇氣。他們的研究成為現代氣象學的重要基石，而這段經歷的真實記錄最終被英國皇家學會永久保存。