在尼比鲁星球探查期间，企业号舰长柯克（克里斯·派恩Chris Pine 饰）为营救史波克（扎克瑞·昆图 Zachary Quinto 饰）采取了胆大妄为的举动，几乎危及全舰队员的生命，他也为此付出代价。不久，柯克官复原职，而伦敦发生一起死亡超过四十人的恐怖袭击事件。该事件的始作俑者约翰·哈里森（本尼迪克特·康伯巴奇 Benedict Cumberbatch 饰）正来自联盟内部。此后他驾驶飞机袭击了高层会议，柯克最为敬重的派克将军不幸遇难。为了阻止哈里森的外逃阴谋，柯克重新率领企业号启程追击。危机重重的旅途，他和舰员、朋友之间的信任也受到巨大考验。
当他们最终找到哈里森，才终于知晓他的真实身份，以及伦敦袭击事件背后的阴谋和黑幕……

故事开始于蒙特娄，也结束于蒙特娄。一名在找寻灵感的作家（拉菲·斯波 Rafe Spall 饰）无意间得知派·帕帖尔（伊尔凡·可汗 Irrfan Khan 饰）的传奇故事。派的父亲（阿迪勒·侯赛因 Adil Hussain 饰）开了一家动物园。因这样特殊的生活环境，少年派（苏拉·沙玛 Suraj Sharma 饰 ）对信仰与人的本性自有一套看法。在派17岁那一年，他的父母决定举家移民加拿大以追求更好的生活，而他也必须离开他的初恋情人。在前往加拿大的船上，他们遇见一位残忍成性的法国厨师（杰拉尔·德帕迪约 Gérard Depardieu 饰）。当天深夜在茫茫大海中，原本令派感到刺激无比的暴风雨一瞬间就成了吞噬货船的大灾难。派却奇迹般地活了下来，搭着救生船在太平洋上漂流，而且有一名最令人意想不到的同伴——理查德·帕克，一只孟加拉老虎。神奇的冒险旅程就这样意外开始了……

小男孩卡尔（Carl Fredricksen）怀揣着对于冒险的热爱偶遇假小子艾丽（Ellie），而艾丽把整个屋子当成一艘大飞船游戏居然使他对这个女孩子有些着迷，相同的爱好最终使两个人成为了一生的爱侣。
他们有一个梦想，那就是有朝一日要去南美洲的“仙境瀑布”探险，但直到艾丽去世，这个梦想也未能实现。终于有一天，曾经专卖气球的老人卡尔居然用五颜六色的气球拽着他的房子飞上了天空，他决定要去实现他们未曾实现的梦想。令卡尔始料不及的是，门廊居然搭上了一个自称是“荒野开拓者”的小男孩小罗（Russell），小罗的喋喋不休让卡尔对这个小胖墩格外讨厌。
一老一少在飞行中经过了千难万险终于看到了传说中的“仙境瀑布”，在相处过程中卡尔发现小罗其实是个惹人怜爱的孩子。在步行穿越一座森林时，他们遇到了不会飞的大鸟凯文（Kevin）和一只会说话的狗狗逗逗（Dug），让老人惊讶的是他们还遇到了他少年的崇拜偶像——探险家查尔斯·蒙兹（Charles Muntz），而且他发现蒙兹居然是一个为达目的不择手段的坏人。这时，老人离自己的梦想之地只有一步之遥……
本片荣获第82届奥斯卡最佳动画长片、最佳配乐2项大奖。