Patema jest ciekawską dziewczyną mieszkającą w podziemnej cywilizacji, gdzie tunele i korytarze ciągną się w nieskończoność, a otoczenie zdaje się skrywać tajemniczą przeszłość. Pewnego dnia, mimo ostrzeżeń starszych, Patema postanawia zbadać zakazaną strefę i przez przypadek wpada do zupełnie obcego świata, w którym grawitacja działa na odwrót. Młoda bohaterka odnajduje się w miejscu, gdzie jej życie dosłownie wisi na włosku, a niebo jest dla niej przepaścią, groźną i nieskończenie głęboką.
Ratuje ją chłopak imieniem Age, mieszkaniec powierzchniowego świata, nieświadomy istnienia ludzi żyjących „po drugiej stronie”. Oboje szybko uświadamiają sobie, że ich światy są mocno podzielone uprzedzeniami i zakłamaniem rządzących. Aby przetrwać i rozwiązać zagadkę swojej przeszłości, Patema i Age muszą zmierzyć się z tajemnicami obu społeczeństw oraz pokonać własne bariery strachu. „Sakasama no Patema” jest pełnym emocji dramatem science-fiction, który porusza problemy akceptacji, tolerancji oraz wzajemnego zrozumienia między dwiema diametralnie różnymi społecznościami.
