Jupiter Jones wurde unter dem Nachthimmel geboren. Bereits bei ihrer Geburt gab es erste Anzeichen, dass Jupiter etwas ganz Besonderes ist, berufen zu außergewöhnlichen Dingen. Als junge Erwachsene träumt sie von den Sternen, muss sich aber mit der harten und kalten Realität anfreunden. Sie hat bereits einige Trennungen hinter sich und lebt momentan mehr schlecht als recht von ihrem Job als Putzfrau. Doch dann kommt Caine auf der Erde an, ein genetisch veränderter Ex-Söldner. Er verschafft der jungen Frau einen ersten Eindruck davon, was das Schicksal für sie bereithält. Denn Jupiter gehört zu einer Blutlinie, die dazu in der Lage ist, das Gleichgewicht des gesamten Kosmos zu beeinflussen. Ihre Abstammung birgt große Gefahr: Der sinistere Balem will Jupiter tot sehen ...

Der Rechtsanwalt Adam Ewing lernt 1850 mit einem Schiff die Ureinwohner des Südpazifik und ihre Unterdrückung kennen. Der Junge Musiker Robert Forbisher arbeitet 1931 an seinem Wolkenatlas-Sextett und wird dabei von Ewings Tagebuch inspiriert. Die Journalistin Luisa Rey ermittelt 1975 über eine vertuschte Fehlkonstruktion beim Bau eines Atomkraftwerks und erfährt dabei auch von Forbisher. Der Verleger Timothy Cavendish, der Luisa Reys Geschichte veröffentlichen will, wird in der Gegenwart irrtümlich in ein Altenheim eingewiesen. In der nahen Zukunft kämpft die junge Replikantin Sonmi-451, deren Lieblingsfilm die Verfilmung von Cavendishs Lebensgeschichte ist, für die Anerkennung ihrer Menschlichkeit. Schließlich spielt eine Episode in ferner Zukunft, in der die menschliche Zivilisation weitgehend wieder auf den Stand der Steinzeit zurückgefallen ist. Nur ein Hologramm mit den Aufzeichnungen Sonmis kündet von der lange vergangenen Zeit.