Dans les années 80, à Tokyo, une étrange expatriée est soupçonnée d'avoir tué son amie, disparue à la suite d'un triangle amoureux entre elles et un photographe local.
En 1862, une tête brûlée, pilote de ballon, Amelia Rennes (Felicity Jones), s'associe au pionnier de la météorologie James Glaisher (Eddie Redmayne), pour faire progresser les connaissances en matière d'intempéries et voler plus haut que n'importe qui dans l'histoire.