Фильм состоит из шести историй, которые происходят в прошлом, настоящем и будущем.
19-й век. Американский нотариус, Адам Юинг, возвращается домой на корабле, на котором плывет доктор Генри Гуз. Доктор, решив ограбить Адама, пытается его отравить, но его плану мешает черный раб Аутуа. Адам возвращается домой к жене, дочери работорговца. Они покидают дом и отправляются бороться за права черных.
1936 год. Композитор Роберт Фробишер в попытке спасти свою репутацию устраивается секретарем к композитору Вивиану Эйрсу. Роберт вступает в любовную связь с женой Эйрса и находит в доме учителя дневник Адама Юинга, о чем он пишет в письме своему любовнику Руфусу Сиксмиту. Эйрс присваивает себе авторство написанного Робертом секстета «Облачный атлас». Юноша стреляет в Эйрса, а затем заканчивает жизнь самоубийством.
1973 год. Журналистка Луиза Рей ведет расследование о вреде от атомных реакторов крупной корпорации, на которое ее натолкнул физик-ядерщик Руфус Сиксмит.
2012 год. 60-летний издатель, нажившийся на чужой книге, бежит от возмездия друзей автора, угодившего в тюрьму. Однако по злой шутке своего брата издатель оказывается в доме для престарелых, откуда он сбегает к бывшей возлюбленной и описывает свои злоключения в киносценарии.
2144 год, Нео-Сеул. Население поделено на чистокровных (рожденных естественным путем) и фабрикантов (клонов), представителей низшего слоя. Сонми-451 — фабрикант, работает в кафе по 19 часов в день и носит ошейник, который в случае чего позволит смотрителю кафе ее убить. Каждые 12 лет фабрикантов перерабатывают в энергомыло. В стране растет недовольство, и революционеры делают Сонми своим символом. Она призывает всех к восстанию.
2321 год. Гавайские острова. Постапокалиптическое общество, человечество деградировало и живет кланами. Они чтут Сонми-451 как богиню, учат ее заповеди. Захри — член клана жителей Долин. Два раз в год остров посещают Провидцы — представители технологически развитого клана. Однажды в доме Захри оказывается Мероним из племени Провидцев. По ее просьбе Захри сопровождает ее в запретные земли над Долиной, они добираются до станции спутниковой связи, где Мероним отправляет сигнал бедствия в космос. Захри с племянницей и люди из племени Провидцев отправляются на другую планету.
В прологе и эпилоге Захри, уже старец, рассказывает свою историю внукам.
