Patema vive en una civilización subterránea y, al explorar una zona prohibida, cae en Aiga, una nación en la superficie donde su gravedad está invertida: para ella, el cielo abierto es un abismo que la atrae hacia arriba. Age, un estudiante que vive bajo el régimen autoritario de Izamura, la atrapa antes de que salga volando, y juntos empiezan a descubrir la verdad detrás de un experimento de gravedad fallido que dividió su mundo en dos.