某天晚上，在一片漆黑的夜空中，一艘海盗飞船袭击了飞艇。空中海盗集团朵拉一族的目的并不是掠夺财物，而是寻找一位名叫希达的少女。希达所持有的护身符拥有神秘的力量，因此她被政府特务罗穆斯卡带往政府军总部协助调查。当朵拉一族入侵飞艇引发混乱时，希达使用酒瓶击昏正在请求援兵的罗穆斯卡并拿回护身符，她为了逃离朵拉一族的追捕不慎从飞行船上掉落到地面上的铁车道山谷。就在此时，护身符的神秘力量让希达缓慢地降落。一位技工学徒的少年巴斯救下希达却不知道该如何处理她，于是巴斯只好带希达回家。第二天早上，巴斯给刚苏醒过来的希达看他去世的父亲留下的照片。巴斯的父亲生前拍摄的照片显示一个名为"拉普达"的飞行岛屿。他曾亲眼目睹拉普达城并告诉所有人关于拉普达城的存在却被当成骗子。因此巴斯的愿望是自己制造一架小型飞机来寻找拉普达城足以证明他父亲的话是真实的。

后来，巴斯和希达在朵拉一族以及政府军士兵的追捕下掉进废弃的矿井中并且遇见住在矿井深处的波姆爷爷。波姆告诉两人希达的护身符是由飞行石制成的，并解释说飞行石是一种能让天空之城“拉普达”飞行在天上的神秘矿石，并讲述了许多关于飞行石和拉普达的传说。因此巴斯下定决心，他一定要和希达找到拉普达城。他们刚离开矿井没多久，就被政府军捉住并关押在泰迪斯要塞的碉堡监狱。罗穆斯卡在碉堡中向希达展示一个无法动弹的机器人，并表示他很早就知道希达的全名是拉普达王族传承下来的名字。他利用这一点要求希达与政府军合作。希达只好以释放巴斯为条件让他能够离开碉堡。悲痛的巴斯回到家中却被朵拉一族挟持。朵拉一族得知飞行石的情报正准备前往碉堡，巴斯为了拯救希达决定暂时与他们合作前往碉堡的方向。与此同时，希达念出她家祖传的咒语使机器人得以启动，罗穆斯卡对此感到震惊，因为唤醒机器人的咒语能找到拉普达城的所在之处。机器人帮助希达逃离罗穆斯卡和政府士兵的追击并为了保护她而被摧毁，它在最后一刻彻底破坏碉堡，让巴斯得以依靠朵拉一族的帮助迅速带着希达离开碉堡。罗穆斯卡则借助希达不慎留下的护身符与军方首领穆罗将军合作，搭上政府军的飞行战舰“歌利亚号”前往拉普达城。

后来，希达和巴斯乘坐朵拉一族的飞船“虎蛾号”工作。并紧随歌利亚号朝着拉普达城的方向前进，希达和巴斯在晚上执行监视任务时，希达告诉巴斯，她在父母去世后被已故的祖母在肯德亚山谷抚养长大继承许多拉普达王族世代传承的古老咒语。在一场强劲的风暴过后，乌云终于散去，巴斯认出他已故父亲照片上的云彩，并向朵拉表示拉普达城的正确位置。就在“虎蛾号”准备降落时，“歌利亚号”突然出现并开火攻击，导致巴斯和希达从飞船上掉落到已经荒废、杂草丛生的拉普达城中。他们抵达拉普达城最上层的温室花园，遇到一个巨型机器人，它与摧毁碉堡的机器人非常相似。巴斯和希达发现拉普达城的花园内只有机器人、一些植物和远古生物在生活着。与此同时，穆罗将军发现罗穆斯卡的背叛行迹，率领军队进入城市内部却无法打开通道。巴斯和希达为救助被俘虏的朵拉一族不慎被罗穆斯卡的部下给查获，希达也因而被再度挟持，罗穆斯卡利用飞行石的力量打开通道之下，他们进入拉普达城深层的接见室。罗穆斯卡向穆罗将军一伙人揭示拉普达城所拥有的强大力量，让希达和正攀爬向抵达拉普达城下方深处的巴斯为此感到吃惊。

罗穆斯卡要求穆罗将军一伙人现在向自己叩拜却遭到拒绝。他利用飞行石使军队坠落到拉普达城上方的海中并启动武装设备和大部分机器人来摧毁“歌利亚号”。他向希达透露自己也是拉普达王族的后裔。他解释说尽管他们的家族都起源于拉普达，但自从他们的祖先七百年前被陆地分隔后就再也没有见面，直到现在作为王族后裔的他们再度相聚。罗穆斯卡计划利用飞行石的力量获取拉普达城的科技，希达趁机逃脱并夺回护身符并且在罗穆斯卡的追击下跑向洞穴。她把飞行石从洞口递给正进入拉普达城下方深处的巴斯并请求他将飞行石扔入海中。希达在罗穆斯卡逼近时将飞行石交托给巴斯，巴斯接过护身符时差点被继续追击希达的罗穆斯卡射击，他用从朵拉拿给的枪炮将墙面打穿跑向希达所在的位置。

罗穆斯卡一路追逐希达到达拉普达王族的宝座厅，两人相互对峙。希达告诉罗穆斯卡作为拉普达王族对于他从事卑劣的行径令她感到悲哀。她宣称即使要与罗穆斯卡在废墟中的拉普达城宝座厅同归于尽，也愿为保护祖先的故乡而不惜一切。希达指出她终于明白拉普达城走向毁灭的真正原因并指责罗穆斯卡只想获取强大武器不顾伤害众多的机器人，即使他获得拉普达的力量也无法在陆地以外继续存在。然而罗穆斯卡射中希达的发辫并表示拉普达城的存在绝不会被遗忘，其城市的力量仍将会实现人们的心愿。此时巴斯及时赶到要求罗穆斯卡释放希达，否则他将会摧毁飞行石。罗穆斯卡询问巴斯的意图是否能放走希达，巴斯希望与希达交谈并要求罗穆斯卡答应他的要求（限三分钟）。交谈中，希达得知朵拉一族已安全逃离并教导巴斯说出拉普达王族长年来禁用的毁灭咒语。当他们在罗穆斯卡面前念出“巴鲁斯”的毁灭咒语时，拉普达城开始毁灭散发出强大光芒，飞行石的光使罗穆斯卡失明，他从拉普达城高处坠入海中身亡。巴斯和希达在巨树保护下驾驶滑翔机离开拉普达城。在和朵拉一族团聚并告别后，两人前往肯德亚山谷。 故事最终，拉普达城只剩下一棵大树和残留建筑，依靠深埋在根系中的巨大飞行石继续漂浮空中。