Leeswaarschuwing: Onderstaande tekst bevat details over de inhoud of de afloop van het verhaal. De film begint met de legende dat mensen ooit steden bouwden in de lucht vanwege hun obsessie met vliegen. Deze steden hielden echter geen stand en vielen een voor een terug naar de aarde. Alleen de stad Laputa zou volgens de legende nog altijd ergens in de lucht zweven, continu verborgen door een onweersbui.
Aan boord van een luchtschip wordt een jong meisje genaamd Sheeta door kwaadaardig uitziende mannen naar een onbekende locatie gebracht. Het schip wordt aangevallen door piraten geleid door een vrouw genaamd Dola. In de chaos steelt Sheeta een medaillon van kolonel Muska en vlucht weg. De piraten hebben het ook op het medaillon voorzien, maar voor ze het te pakken krijgen valt Sheeta uit het schip. Het medaillon straalt hierop een vreemd blauw licht uit en Sheeta landt ongedeerd op de grond. Een jonge mijnwerker genaamd Pazu ziet dit, en neemt haar mee naar zijn huis. Hier vertelt hij haar dat zijn vader ooit de stad Laputa heeft gezien.
Met zowel de piraten als de overheid achter hen aan zijn de twee al snel gedwongen te vluchten. Ze ontmoeten een oude mijnwerker genaamd OomPom, die hun vertelt over "volucite", een soort kristal dat Laputa zijn energie geeft. Volgens hem is Sheeta’s mediallon een van de grootste en zuiverste versies van dit kristal. Hij waarschuwt haar het kristal nooit voor kwaadwillige doeleinden te gebruiken. Kort hierna worden de twee gevangen door de overheid, en van elkaar gescheiden. Een generaal praat met Muska over de zoektocht naar Laputa, en beide zijn van mening dat Sheeta en haar kristal de sleutel zijn tot het vinden van de stad. Muska onthult Sheeta dat hij op de hoogte is van haar echte naam, Lusheeta Toel Ul Laputa (Laputaiaans voor “Sheeta, ware heerser van Laputa”). Hij belooft Pazu te laten gaan als ze ermee instemt mee te helpen Laputa te zoeken.
Pazu keert na zijn vrijlating terug naar huis, waar Dola en haar piraten op hem wachten. Ze overtuigen hem hen te helpen Laputa eerst te vinden. In de militaire basis waar Sheeta wordt vastgehouden, activeert ze het kristal, dat de weg naar Laputa aangeeft. Hierbij activeert ze echter ook een robot die jaren terug vanuit Laputa naar de aarde viel en sindsdien door de overheid wordt bewaard. De robot begint alles om zich heen te verwoesten. In de chaos verliest Sheeta het kristal. Sheeta kan op tijd worden gered door de piraten, die vervolgens met hun schip, de Tiger Moth, koers zetten naar Laputa. Muska en de generaal vinden het kristal, vertrekken met een militair luchtschip genaamd deGoliath eveneens naar Laputa.
Beide schepen worstelen zich door de storm die Laputa omringt, terwijl ze ook met elkaar vechten. De Tiger Moth arriveert eerst in Laputa. De stad blijkt echter verlaten, op een enkele robot na. De Goliath arriveert niet veel later, waarna de soldaten de stad plunderen van alle rijkdommen. De piraten worden gevangen. Sheeta wordt door Muska meegenomen naar een vreemde bol die de hele stadskern omringt. Pazu bevrijdt de piraten en zet de achtervolging in. In het centrum van de stad vinden Muska en Sheeta een enorm Volucitekristal dat als krachtbron van de stad dient. Muska onthult dat hij ook een erfgenaam van de troon van Laputa is. Hij neemt de controle over de stad en al diens technologie. Hij laat een heel robotleger ontwaken om de soldaten en de generaal uit de weg te ruimen. In de climax van de film bemachtigt Sheeta haar medaillon weer, en gebruikt samen met Pazu de spreuk der vernietiging om de stad deels op te blazen zodat de technologie ervan nooit meer in verkeerde handen kan vallen. Muska sterft terwijl Sheeta, Pazu en de piraten aan de vernietiging kunnen ontkomen.