Em um futuro distante, a adolescente Patema vive em um complexo industrial formado por túneis subterrâneos. Um dia, enquanto explora as fronteiras da sua cidade, Patema tropeça sobre um poço e começa a cair... para cima. Ela chega até a superfície, onde fica presa em uma árvore e é resgatada pelo jovem Age. Patema descobre que neste estranho lugar a gravidade funciona de maneira invertida e que o povo da superfície é proibido de olhar para o céu. Juntos, Age e Patema decidem embarcar em uma aventura para desvendar o segredo por trás das regras de seus mundos invertidos.