Em um mundo futurístico, Patema é uma jovem menina que vive em um completo industrial. Certo dia, enquanto explorava as fronteiras da cidade, ela tropeça em um grande poço e começa a cair para cima. Quando chega à superfície, ela está de cabeça para baixo e é resgatada pelo jovem Age. Patema descobre nesse lugar estranho que a gravidade funciona de maneira invertida e que as pessoas da superfície são proibidas a olhar para o céu. Os dois resolvem se aventurar juntos para descobrir o que está por trás de seus mundos.
