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 meteorologia. Sua companheira de viagem é Amelia Rennes (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.

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