Carl est un jeune garçon qui rêve de marcher sur les traces de son idole, l'explorateur Charles Muntz. Lorsqu'il fait la connaissance d'Ellie, une jeune aventurière en herbe comme lui, ils se font la promesse d'aller un jour installer leur cabane au sommet des Chutes du Paradis, où Muntz s'est exilé. Les années passent, Carl et Ellie se marient et nourrissent toujours leur rêve d'aventure, mais les aléas de la vie font que leur but devient de plus en plus utopique. Lorsqu'il se retrouve à 78 ans, veuf et sur le point de se faire expulser de sa maison, Carl décide de réaliser la promesse qu'il avait faite à Ellie, accroche des milliers de ballons à sa cheminée et décolle ainsi dans ce dirigeable insolite direction le Venezuela, et les fameuses chutes paradisiaques... Mais c'est sans compter sur la présence inattendue de Russell, un jeune scout bavard et quelques peu encombrant...