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.

Als zijn oom een week op Adam en zijn zusje Gillian komt passen heeft hij een vreemde zonnebank bij zich. Deze machine blijkt te kunnen klonen. En laat Adam dat nou net niet weten. Wat gebeurt er allemaal en wie is de echte Adam?

Henry Brogen is een moordenaar op leeftijd, werkzaam voor de NSA, die van plan is zijn carrière de rug toe te keren. Zijn opdrachtgevers willen hem echter niet laten gaan en maken een kloon van hem. Hierdoor moet Henry het opnemen tegen zijn jongere en nog snellere en sterkere versie, een die al zijn handelingen kan voorspellen.

Op een onbewoonbare 22e eeuwse aarde hangt de uitkomst van een burgeroorlog af van het klonen van de hersenen van een elitesoldaat om een robothuurling te creëren.

Het welgestelde koppel James en Em Foster geniet van een strandvakantie op een eiland. Buiten de hotelmuren schuilt gevaar. Wanneer een dodelijk ongeluk zich voordoet, wordt de ware identiteit van het vakantieoord, zijnde het geweld en het hedonistische toerisme blootgesteld.

Een jonge agorafobische en megalomane wetenschapper drukt een sterke minachting uit voor zijn medemensen. Geobsedeerd door een fysieke paradox die hij niet lijkt te kunnen oplossen, besluit hij zichzelf te klonen, omdat volgens hem alleen een brein dat vergelijkbaar is met het zijne, zijn werk kan volbrengen. Na enige tijd wordt de aanwezigheid van de kloon problematisch...

1989. Marty Stillwater brengt zijn dochtertje naar de spoedafdeling. Zij heeft zich ernstig verwond en zweeft tussen leven en dood. Marty heeft er alles voor over om zijn kind te redden en fungeert dan ook als bloeddonor. Maar in het lab loopt het één en ander mis en de bloedstalen worden verwisseld. Marty's staal wordt gebruikt voor een geheim kloonexperiment. Gebaseerd op de gelijknamige roman van Dean R. Koontz.