Сюжет
Шесть историй, действие которых происходит в разное время, тесно переплетаются между собой.
Тихоокеанский дневник Адама Юинга — 1849 год. История американского нотариуса, который на корабле возвращается домой. В пути он знакомится с английским доктором Генри Гузом и спасает от смерти чёрного раба Аутуа. В ходе развития сюжета оказывается, что Генри Гуз — аферист, стремящийся убить Юинга и завладеть его имуществом. Аутуа спасает Адама от смертельной дозы яда доктора Гуза и помогает ему вернуться домой к жене Тильде, дочке известного работорговца и расиста. Вместе с женой они покидают отца и едут бороться за права чёрных людей.
Письма из Зедельгема — 1936 год. Молодой английский композитор Роберт Фробишер дискредитирует себя, и, сбежав из университета, устраивается в секретари к известному композитору Вивиану Эйрсу, с помощью которого намеревается восстановить свое доброе имя. Там он помогает Эйрсу с его сочинениями и в то же время вступает в любовную связь с женой Эйрса. Фробишер находит у Эйрса дневник Адама Юинга, о чём сообщает в одном из писем своему другу — возлюбленному Руфусу Сиксмиту. Во время работы на Эйрса Роберт создает секстет «Облачный атлас», авторство которого Эйрс намеревается оставить за собой, объясняя это юридической стороной их соглашения (перекличка с кафе «Папы Сонга» из другой сюжетной линии). Роберт стреляет в Эйрса и убегает. Всю свою историю Фробишер описывает в письмах Руфусу, а потом кончает жизнь самоубийством, закончив работу над своим произведением.
Периоды полураспада. Первое расследование Луизы Рей — 1973 год. Молодая амбициозная журналистка начинает расследование об изъянах в безопасности атомных реакторов крупной энергетической корпорации, на которое её натолкнул физик-ядерщик Руфус Сиксмит. Вместе с отчетом о проверке реакторов ей в руки попадают письма сорокалетней давности, написанные Сиксмиту композитором Робертом Фробишером. Также она покупает пластинку с симфонией «Облачный атлас».
Страшный Суд Тимоти Кавендиша — Наши дни (2012 год). 60-летний издатель, сорвавший куш на бестселлере и бегущий от возмездия подельников автора, попавшего в тюрьму, по злой шутке своего родного брата попадает в дом престарелых с весьма строгими правилами содержания. Найдя сообщников, предпринимает попытку побега, одновременно читая историю журналистского расследования Луизы Рей. После побега возвращается к возлюбленной своей молодости Урсуле и описывает все свои приключения в киносценарии.
Откровение Сонми-451 — история разворачивается в будущем (2144 год), в Нео-Сеуле. Всё население разделено на «чистокровных» (рожденных естественным путем) и «фабрикатов» (клонов), формирующих низший социальный класс. Сонми-451 — «фабрикат», она работает в кафе быстрого питания «Папы Сонга» — здесь клоны принимают заказы, разносят еду и убирают. Все фабрикаты обязаны носить ошейник, который позволяет смотрителю кафе убить фабриката в случае неподчинения. Они живут в ресторане, работают по 19 часов в день, питаются энергомылом (изготовленным из трупов их отработавших 12 лет аналогов) и никогда не видят солнечного света. После 12 лет службы фабрикаты проходят процедуру Экзальтации, которая (как им внушают) ведет их к лучшей жизни. На самом деле их забивают и разделывают на скотобойне, а затем перерабатывают в энергомыло. Хэ Джу Чен, член революционной группы, выкрадывает Сонми-451 из ресторации «Папы Сонга» в надежде сделать из неё символ революции. У неё была предшественница — её подруга, фабрикант Юна-939, показавшая ей тайком запрещенное для клонов кино и рассказавшая о других тайнах мира наверху, но она погибла в результате инцидента, когда пыталась сбежать из кафе, ударив унизившего её посетителя. Хэ Джу Чен показывает Сонми старый фильм Страшный Суд Тимоти Кавендиша с Томом Хэнксом (фрагмент этого фильма на сломанном плеере ей до этого показывала Юна-939). Со станции спутниковой связи, захваченной повстанцами, Сонми обращается с воззванием («откровением») к человечеству. Там же её арестовывают. Перед казнью Сонми спокойно и снисходительно рассказывает свою историю Архивариусу — высокопоставленному лицу, пытающемуся понять её поступок.
Переправа возле Слуши и всё, что после — 106 зим после Крушения (2321 год). Примитивное постапокалиптическое общество на одном из Гавайских островов. Поселенцы частично деградировали и живут небольшими кланами. Срок их жизни невелик из-за радиации и загрязнения окружающей среды. Они помнят, что в результате некоего события, которое они называют «Крушение», цивилизованные народы Земли — известные как «Древние», — погибли. В этом примитивном мире Сонми-451 почитают за богиню, чтут ее заповеди. Поселенцы боятся дьявола — «Старину Джорджи». Легенды гласят, что он живёт над Долиной в месте, которого боятся все Жители Долин (гора Мауна-Сол). Варвары Коны — клан агрессоров-каннибалов, нападающий на долинцев. Захри (Захария) — член клана Жителей Долин. Два раза в год остров посещают для торговли Провидцы — технологически развитый клан, сохранивший остатки знаний погибшей цивилизации. Они тоже страдают от радиации, хотя и в меньшей степени, чем жители острова. Захри не доверяет Мероним, но после того, как та спасает больного ребёнка по его просьбе, Захри соглашается сопроводить её в запретные земли над Долиной. Совершая восхождение, Мероним и Захри добираются до древней станции спутниковой связи. Там Мероним шокирует Захри, рассказав ему, что Сонми на самом деле была не божеством, а человеком, и показывает её «откровение», вызвав файл из воспроизводящего устройства. Затем Мероним отправляет сигнал в просторы космоса тем, кто уцелел во внеземных колониях во время катастрофы, с просьбой спасти оставшихся на Земле людей. Захри и его племянница Каткин вместе с Мероним и другими Провидцами отправляются на другую планету.

Затронутые темы
Дэвид Митчелл так сказал о своей истории: Буквально все главные герои, за исключением одного, являются реинкарнацией одной и той же души в различных телах на протяжении всего романа, идентифицируемых по родимому пятну… это просто символ действительной универсальности человеческой природы.. 
Вместо этого в фильме перерождение показано  визуально с помощью одного набора актеров, которые появляются в каждом временном отрезке, перенимая эстафету в колесе сансары Том Тыквер говорит: Обсуждая связи между персонажами, которые имеют место с течением времени, и то, как, вероятно, один человек выполняет то, что другой начал сотни лет назад, мы подумали: «Почему бы не использовать для этой цели одного актера? Почему бы не подобрать исполнителей согласно идее, что каждый актер изображает не отдельные роли, но несколько, которые вместе представляют собой эволюцию одной сущности. 
Между тем, родимое пятно никуда не делось. Но вместо обозначения перехода души создатели фильма использовали его, чтобы определить тех, кто достиг определенного уровня просветления и находится на грани важного решения, которое может существенно изменить его жизнь или жизнь других людей. Тыквер объясняет это так: Оно (родимое пятно) стало скорее системой обмена сообщениями между людьми, когда человек в одной эпохе делает или создает то, что вдохновляет человека, который имеет ту же отметину в следующей эпохе.

Реакция критиков
Фильм получил смешанные отзывы критиков. По состоянию на 7 мая 2013 года рейтинг веб-сайта Rotten Tomatoes показывает, что на основе отзывов 240 критиков фильм получил положительный отклик от 68 % критиков. Средний рейтинг 6,6/10.[33]