1936 fasziniert dieses Reisetagebuch den jungen Komponisten Robert Frobisher (
Ben Whishaw), der aber nur noch die Hälfte besitzt. Inspiriert von den Schilderungen über die Schrecken der Kolonialzeit macht er sich an die Komposition seines musikalischen Meisterwerks, des "Wolkenatlas-Sextett". Darin thematisiert er musikalisch die Frage der Menschheit, ob sich einzelne Seelen in verschiedenen Epochen immer wieder begegnen können. In leidenschaftlichen Briefen an seinen Liebhaber Rufus Sixsmith (
James D'Arcy) berichtet er von seinem Aufenthalt bei einem genialen aber in die Jahre gekommenen Komponisten und bittet ihn gleichzeitig darum, die zweite Hälfte des Buchs ausfindig zu machen.
1973 begegnet die ehrgeizige Journalistin Luisa Rey (
Halle Berry) seinem in der Zwischenzeit gealterten Liebhaber und Atomkraftexperten. Er vertraut sich ihr an und übergibt ihr wichtige Unterlagen zur Aufdeckung eines Atomskandals und die persönlichen Briefe von damals. In einem Plattenladen bestellt sie sich das "Wolkenatlas-Sextett" und ist sich sicher, die Melodie zu kennen.
Ein Nachbarsjunge schreibt ihre Geschichte über die Entdeckung der Machenschaften zwielichtiger Atomkonzerne auf und schickt 2012 das Manuskript an den Londoner Verleger Timothy Cavendish (
Jim Broadbent). Dieses Buch lässt ihn erstmals darüber nachdenken, was Freiheit und Erfolg für ihn wirklich bedeuten. Gegen seinen Willen wird er in einem despotisch geführten Altenheim eingesperrt, aus dem er versucht zu fliehen.
Ein Video von seiner Flucht ermutigt 2144 in Südkorea die geklonte Kellnerin Sonmi-451 (
Doona Bae) aus ihrem Gefängnis auszubrechen. Sie zeichnet ihre Erfahrungen und Wahrheiten auf, die auch in der post-apokalyptischen Welt des Jahres 2346 noch Gültigkeit besitzen und die Menschen zu einem Neubeginn und dem Streben nach dem Traum einer friedlicheren Zukunft ermutigen...