A trama de Cloud Atlas gira em torno de seis histórias: a primeira história é situada no Sul do Oceano Pacífico em 1849 e apresenta Adam Ewing (Jim Sturgess), um advogado americano de São Francisco que, durante uma viagem de navio, ajuda um escravo clandestino. A segunda história está situada no Reino Unido em 1936 e carrega um elemento emocional importante, nos apresentando Robert Frobisher (Ben Whishaw), um talentoso compositor musical que é atormentado pelo drama da sua bissexualidade, sendo forçado a deixar seu amante, Rufus Sixsmith (James D’Arcy). A terceira trama se passa na Califórnia em 1973, onde Luisa Rey (Halle Berry), uma jornalista investigativa se encontra com Rufus Sixsmith (Tom Hanks), cientista nuclear e ambos desvendam uma conspiração da indústria petrolífera. A quarta história acontece 2012, no Reino Unido e retrata Timothy Cavendish (Jim Broadbent), um editor de 65 anos de idade, que acaba ficando em apuros em meio a um esquema de extorsão. A quinta estória se passa em 2144, na Coréia e nos apresenta Sonmi-451 (Bae Doona), um clone criado geneticamente que trabalha quase como uma escrava e é resgatada por Hae-Joo Chang (Jim Sturgess), um líder rebelde. A última história se passa em 2321, na “Grande Ilha”, 106 invernos após “A Queda”, e apresenta o membro de uma tribo primitiva Zachry (Tom Hanks) e Meronym (Halle Berry). Meronym está em busca do “Cloud Atlas”, uma estação de comunicação localizada no pico de uma montanha.
A direção e roteiro ficam a cargo de Tom Tykwer e a dupla por traz de Matrix, Andy Wachowski e Lana Wachowski. O elenco apresenta Tom Hanks, Halle Berry, Jim Broadbent, Hugo Weaving, Jim Sturgess, Doona Bae, David Gyasi, Ben Whishaw, James D’Arcy, Zhou Xun, Keith David, Susan Sarandon e Hugh Grant. Cloud Atlas é uma co-produção Alemanha, Singapura, China e EUA.