故事发生在1862年的伦敦，詹姆斯（埃迪·雷德梅恩 Eddie Redmayne 饰）是一位非常有理想抱负的年轻科学家，致力于研究天气预报技术，然而，经济上的窘迫让他无法使用自己的热气球将研究成果带上天空，于是，他找到了名为艾米莉亚（菲丽希缇·琼斯 Felicity Jones 饰）的女子。
艾米莉亚是一个经验非常丰富的热气球飞行员，如今却沉溺在一段痛苦的往事之中无法自拔。她答应了詹姆斯的请求，两人共同驾驶着热气球开始了他们的冒险，并且凭借着智慧和勇气抵达了人类从未涉足过的高度。然而，当他们飞的越高
为了追缉跨国犯罪分子，俄罗斯情报局特工伊戈尔•克列姆涅夫（弗拉基米尔•叶皮凡采夫 V. Yepifantsev 饰）来到哥伦比亚，但是行动失败，手下全部丧生。这让伊戈尔备受指责，他百口莫辩，被降职。为了戴罪立功，他接受了俄罗斯石油大亨索尔金的案子，后者被控偷税漏税并企图颠覆政府。伊戈尔去欧洲缉拿知悉索尔金犯罪证据的米哈伊尔•谢里克。期间，他结识了身材火辣、身手不凡的女间谍奥拉娃（奥莉加•法捷耶娃 Olga Fadeyeva 饰）。起初，伊戈尔误认为奥拉娃是敌人一伙，幸好同伴提醒，才让对方表明心迹，同仇敌忾
