Patema es una joven valiente de una civilización subterránea que cuenta con una increíble red de túneles. Inspirada por una amiga que desapareció misteriosamente, a menudo es reprendida debido a sus constantes excursiones a estos túneles debido a su estado real. Después de que ella entra en lo que se conoce como la «zona prohibida», cae accidentalmente en un pozo gigante sin fondo después de ser sorprendida por una extraña criatura. Al encontrarse en la superficie, un mundo literalmente al revés, comienza a caer hacia el cielo solo para ser salvada por Age, un estudiante descontento de la nación totalitaria conocida como Aiga. A los habitantes de Aiga se les enseña a creer que los «invertidos», como Patema, son pecadores que serán «tragados por el cielo», pero Age se ha resistido a esta propaganda y decide proteger a su nueva amiga. Un encuentro casual entre dos adolescentes curiosos conduce a la exploración de dos mundos únicos a medida que comienzan a trabajar juntos para desvelar los secretos de sus orígenes en Sakasama no Patema, una película conmovedora sobre cómo superar las diferencias para poder coexistir.