在未來的紐約，神秘機械生物對城市的突襲迫使飛行員約瑟夫·蘇立文（裘德·洛飾）介入救援。這位被稱為"天空上尉"的戰斗英雄在擊退襲擊者的過程中，意外與身為戰地記者的舊情人波莉（格溫妮斯·帕特洛飾）重逢。隨著調查深入，波莉發現襲擊與近期多位頂尖科學家離奇失蹤事件存在關聯——這些線索共同指向已故瘋狂科學家托騰科夫（Totenkopf）遺留的"世界凈化計劃"。為阻止即將降臨的全球性災難，約瑟夫與波莉聯手海軍女軍官弗蘭姬·庫克（安吉麗娜·朱莉飾）及天才工程師戴克斯（吉奧瓦尼·瑞比西飾），循著空中要塞的蹤跡展開追蹤。當團隊潛入漂浮在平流層的鋼鐵堡壘時，發現這座由巨型飛行器拼接而成的"明日之城"仍在執行其創造者滅絕人類的遺志。最終決戰中，眾人通過引爆反物質核心摧毀要塞，并揭露托騰科夫早已死亡、所有指令均由克隆體執行的真相。紐約在經歷機械雨侵襲后重歸平靜，而昔日戀人也在并肩作戰中修復了破裂的關系。