Die Protagonistin Patema (Yukijo Fujii) lebt in einer futuristischen Zivilisation, die in einem System aus Tunnel und Höhlen wohnt. Sie verlässt häufig das Dorf und erkundet die Tunnel, obwohl sie von allen vor den Gefahren gewarnt wird, die dort lauern. Ihr Vater ist bei einer solchen Expedition verschollen. Als sie eines Tages einen sogenannten Fledermausmenschen sieht – die so genannt werden, weil sie an der Decke laufen – fällt sie in einen Abgrund. Sie kommt an die Oberfläche, droht aber zu fallen. Sie wird von einem Jungen namens Eiji (Nobuhiko Okamoto) festgehalten, der für sie falsch herum steht, genau wie der Rest der Welt. Aus Eijis Sicht ist Patema wiederum falsch herum, da sie von der Erde weg in den Himmel fällt. Durch die totalitäre Regierung werden alle Schüler indoktriniert, sodass sie nicht zum Himmel hinaufsehen und auch keine Sehnsucht danach verspüren. Die umgekehrten Menschen, genannt Aiga, werden als Sünder angesehen, da sie scheinbar versuchen den Himmel zu erreichen. Eiji lehnt sich jedoch gegen dieses System auf, weshalb er Patema hilft vor den Regierungstruppen zu fliehen.