效力于某知名搜索引擎公司的程序员加利·史密斯（多姆纳尔·格利森 Domhnall Gleeson 饰）幸运地抽中老板纳森（奥斯卡?伊萨克 Oscar Isaac 饰）所开出的大奖，他将受邀前往位于深山的别墅中和老板共度假期。在与世隔绝的别墅中，纳森亲切地接待了这位员工。 事实上他邀请加利到来还有另一个目的，那就是协助他完成其所开发的智能机器人的测试。天才一般的纳森研制了具有独立思考能力的智能机器人伊娃（艾丽西亚·维坎德 Alicia Vikander 饰），为了确认她是否具有独立思考的能力，他希望加利能为伊娃进行著名的“图灵测试”。似乎从第一眼开始，加利便为这台有着宛如人类般姣好容颜的机器人所吸引。　　在随后的交流中，他所面对的似乎不是冷冰冰的机器，而更像是一个被无辜囚禁起来的可怜少女……

　　经过数百年的发展，人类文明高度进化，他们逐渐将触角伸向宇宙深处。然而，随着人口激增，有限的资源消耗殆尽。到2174年，地球资源严重匮乏，资源争夺战达到顶峰。为了寻求新的生存乐土，人类向宇宙发射了名为“极乐世界”的宇宙飞船，开始漫长、未知的宇宙探索。
　　经过长时间的深度睡眠，船员鲍尔（本·福斯特 Ben Foster 饰）和佩顿上尉（丹尼斯·奎德 Dennis Quaid 饰）相继醒来。不知出于何种原因，他们完全忘记了航行的目的和任务。鲍尔与佩顿合作检查飞船，很快便发现其他同伴的尸体，这些昔日的伙伴死状恐怖。而且他们似乎不是仅存的生命体，一种神秘的生物仍在威胁着他们的生命……

　　1850年，南太平洋，美国公证人亚当·尤因（吉姆·斯特吉斯 Jim Sturgess 饰）在船上被不明寄生虫病折磨，他用日记记录下自己所见所闻；1931年，苏格兰，落魄青年罗伯特·弗罗比舍（本·卫肖 Ben Whishaw 饰）为音乐大师记录曲谱，受到半本旅行日记的启发创作出了恢宏壮阔的《云图六重奏》；1975年，美国加州，小报记者路易莎·雷（哈莉·贝瑞 Halle Berry 饰）冒着生命危险调查一桩核电站丑闻，在老唱片店她被一首不知名的乐章打动；2012年，英国伦敦，被囚禁在养老院的出版商蒂莫西·卡文迪什（吉姆·布劳德本特 Jim Broadbent 饰）揣着一叠由女记者写成的纪实文学，打算将自己的“越狱经历”拍成电影；乌托邦未来，首尔，餐厅服务员克隆人星美-451（裴斗娜 Doona Bae 饰）开始形成自我意识和反抗人类，她在人类图书馆看了一部飞跃老人院的电影；文明毁灭后的未来，夏威夷，牧羊土着扎克里（汤姆·汉克斯 Tom Hanks 饰）对高科技文明的先知心怀敌意，他的部落唯一相信的女神叫星美……
　　不同的人物、场景和事件在时空中更迭变幻，不变的是每个主角身上都带有彗星形状的胎记。它像亘古灵魂的烙印，将人性中的反抗精神代代延续，最终织成一幅浩瀚璀璨的云图。

　　1959年，美国马塞诸塞州列辛顿威廉道斯小学，该校即将迎来校庆日，小女孩露辛达•安伯利（Lara Robinson 饰）提出的创意为校长所采纳。校庆日时，学生们将画下自己对未来的设想，并集中放入金属时间囊中埋入地下，准备50年后重新开启。校庆日之后，举止怪异的露辛达用鲜血在墙上写下奇怪文字，并向老师提出警告。
　　2009年，威廉道斯小学再次迎来校庆日，被埋藏地下50年之久的时间囊重见天日。小男孩凯勒（Chandler Canterbury 饰）得到露辛达的信，上面没有任何图画，整页布满毫无规律可言的数字。凯勒的父亲约翰（尼古拉斯•凯奇 Nicolas Cage 饰）夜晚研究这些数字，竟发现这是一组具有预言性的密码。文中的数字清楚记录了世界上过去50年所发生的各种灾难。除此之外，这组数字还包括了接下来将发生的重大灾难……

　　影片讲述了主人公陆浩因欠下巨额赌债被抓进了一个神秘别墅中，在逃离别墅的过程中，偶然发现了一个与自己长相一模一样人陪在自己的女友身边，两人一同被追债人误抓进别墅。在躲避追债人的途中，陆浩被迫寻求外界的援助，却在这期间与克隆人产生了记忆关联。为了解救女友找出真相，陆浩携众人发起反击，然而事件真相却远比他们想象中的还要复杂，一个更大的阴谋正在悄悄浮出水面……

　　2009年，当麻纱绫（户田惠梨香 饰）和濑文焚流（加濑亮 饰）相识的前一年。在美国FBI学成归来的当麻被分在警视厅公安部公安第五课未详事件特别对策系，接受组长野野村光太郎的直接领导。此前不久，某大型石油企业高管接连被人杀害，死者的心脏无一例外都留下被人用手捏过的痕迹。显而易见，这一系列事件和所谓的SPEC持有者有着极为密切的联系。与此同时，石油企业高管Diablo（大杉涟 饰）高薪聘请神秘SPEC持有者一十一（神木隆之介 饰），企图阻挡神秘的SPEC杀手。一十一，这个日后与当麻和濑文有着不解渊源的难缠敌手将当麻视作杀害父母的爆弹女，之后更斩杀了当麻在美国结识的好友Nancy。
　　SPEC宏大篇章自此拉开序幕，决定世界命运的重大事件也进入了倒计时……

　　在切尔诺贝利异常区，在第4发电机组的保护性石棺下，全球金泰克公司正在进行非法建筑。这些计划需要阻止建立一个特别的州际委员会，但就在新闻发布会上，不明身份的恐怖分子组织的头目。他成功地与该区域作战，但现在似乎该区域本身已经俘获了他。他的四分之一的朋友——一切，时间，时间和夜晚——不需要其他任何东西，只是再次踏上旅程，试图拯救帕夏，并制造一个全球性的威胁。