In 1987 wordt de universiteitsstudent en voorstander van de democratie Park Jong-chul door de politie gearresteerd en gemarteld tot hij overlijdt. Zowel de politie als de overheid pogen deze zaak in de doofpot te stoppen, maar ze krijgen tegenstand van de media en de universiteitsstudenten die er alles aan willen doen om de waarheid naar buiten te brengen.
Het is het jaar 1993 en voormalig militair officier Suk-young Park wordt door de overheid gerekruteerd als spion. Hij gaat aan de slag voor de Zuid-Koreaanse inlichtingendienst en krijgt de codenaam "Black Venus".
De 35-jarige architect Seung-Min krijgt op zijn kantoor bezoek van een vrouw. Op het eerste moment herkent Seung-Min de vrouw niet, maar daarna herkent hij Seo-Yeon. Seo-Yean was zijn eerste liefde en hij heeft haar sinds de universiteit niet meer gezien. Seo-Yeon heeft nu een verzoek. Ze wilt Seung-Min inhuren om haar huis op het eiland Jeju wederop te bouwen.
Het verhaal gaat over een ruwe man die werkt voor een wrede woekeraar. Hij heeft geen familie, geen geliefden waar hij zich zorgen om moet maken, en dus kent hij ook geen enkele angst of aarzeling wanneer het er op aankomt om zijn misdadige taken uit te voeren. Op een dag verschijnt een mysterieuze vrouw in zijn leven die beweert zijn moeder te zijn. Aanvankelijk gelooft hij haar niet, want hij kan zich zijn moeder niet herinneren. Maar wanneer hij aan haar gehecht raakt, ontdekt hij haar afschuwelijke doch trieste geheim.
Een filmregisseur die geen films meer maakt, arriveert in Seoul om een goede vriend te ontmoeten. Als de vriend niet komt opdagen, dwaalt hij drie dagen doelloos door de stad, pakt hij drankjes en ontmoet hij vrouwen, waarbij elke dag zich afspeelt als een versie van de vorige.
Cloud Atlas vertelt zes verhalen die zich in een verschillende tijd en op verschillende plaatsen afspelen en onlosmakelijk met elkaar verbonden zijn. Het eerste verhaal speelt zich rond 1850 af, terwijl het laatste verhaal zich honderden jaren in de toekomst afspeelt. Het is een episch verhaal van menselijkheid waarin de acties en de gevolgen van onze levens impact hebben op een ander door middel van het verleden, het heden en de toekomst wanneer één ziel omgevormd wordt van een moordenaar tot een verlosser en één enkele daad van vriendelijkheid ervoor zorgt dat eeuwen later een revolutie ontketend wordt.
Een mysterieuze schietpartij vindt plaats in Seoul. Als gevolg hiervan wordt Han-kyu Lee (Kang-ho Song) ontslagen bij de Zuid-Koreaanse geheime dienst. Zes jaar later ziet hij Ji-won Song (Dong-won Kang), de Noord-Koreaanse spion die mede verantwoordelijk is voor zijn ontslag. Deze is echter allang door zijn land in de steek gelaten en probeert nu zijn identiteit te verhullen. Eerst draaien beiden een beetje om elkaar heen, maar ze merken al gauw dat ze elkaar nodig hebben en elkaar aanvullen.
Gloria is een vrouw die, na het verlies van haar baan en uit haar appartement te zijn geschopt door haar vriend, wordt gedwongen om haar leven in New York achter zich te laten en terug te gaan naar haar geboortestad.
Twee vrienden zijn betrokken bij een mannelijke escortbedrijf. Een van hen begint een relatie met een van zijn klanten. De andere bedriegt zijn vriendin tot dat de leugens hem inhalen.