Una aeronave que transporta a Sheeta, una niña huérfana secuestrada por el agente del gobierno Muska, es atacada por Dola y sus hijos piratas del aire, que buscan el amuleto de cristal azul de Sheeta. Al intentar escapar, Sheeta resbala de la aeronave y cae inconsciente. Sin embargo, el amuleto, que emana una misteriosa luz azul, la atrapa y la hace caer lentamente al suelo. Un niño huérfano llamado Pazu la atrapa y la lleva a su casa en un pueblo minero. Pazu le enseña una foto de una legendaria ciudad flotante, Laputa, tomada por su difunto padre.

Cuando los piratas de Dola y los hombres de Muska aparecen y los persiguen, Pazu y Sheeta, ayudados por el amuleto, caen en una mina abandonada, donde ella cuenta cómo fue secuestrada en su casa de la montaña por Muska y sus agentes. En las cavernas, conocen al viejo minero Tío Pom, que les muestra los brillantes depósitos de Aetherium que los rodean.

Al salir de las minas, Sheeta le dice a Pazu su nombre completo -Lucita Toel Ul Laputa-, revelándose como descendiente de la familia real laputana. Muska los captura y los lleva a su fortaleza, donde los niños son encarcelados. Muska muestra a Sheeta un robot laputano roto; sabiendo su nombre, pretende que revele la ubicación de Laputa. Muska amenaza a Pazu y, por su propia seguridad, Sheeta le ordena que regrese a casa. Un abatido Pazu regresa, donde Dola y sus hijos lo esperan y lo capturan. Para rescatar a Sheeta, Pazu se une a ellos en su búsqueda de Laputa.

Sheeta recita un conjuro que le enseñó su abuela, activando involuntariamente el amuleto y el robot, que causa estragos hasta que es destruido por la enorme aeronave militar Goliat. Pazu rescata a Sheeta, pero Muska consigue el amuleto, que ahora emite un haz de luz en dirección a Laputa. Pazu, Sheeta y los piratas regresan a su aeronave y persiguen al Goliat, que navega gracias al amuleto de Sheeta. Por el camino, Dola les dice a Pazu y Sheeta cómo convertir el vigía en una cometa, lo que les proporciona un punto de vista más elevado. Pazu ve un remolino de nubes en un huracán que se aproxima. Al reconocer las nubes de las historias de su padre, le dice a Dola que han encontrado Laputa e insiste en que se dirijan hacia el ojo de la tormenta. Sin embargo, aparece el Goliat, daña el barco pirata y desprende de él la cometa vigía, enviando a Pazu y Sheeta a las nubes.

Sheeta y Pazu llegan sanos y salvos a Laputa, donde encuentran plantas y animales que prosperan en las ruinas del castillo, que rodean un enorme árbol. Sin embargo, el ejército saquea la ciudad, con los piratas como cautivos. Muska captura a Sheeta mientras Pazu libera a los piratas. Muska lleva a Sheeta al centro de Laputa, un vasto depósito de conocimientos científicos donde un inmenso cristal alimenta la ciudad. Muska revela su verdadero nombre: Romuska Palo Ul Laputa, otro miembro de la línea real que abandonó Laputa hace siglos. Utilizando el amuleto para acceder a la tecnología laputa, desata el arma secreta de destrucción masiva de Laputa y un ejército de robots inactivo, destruye el Goliath y su tripulación, y declara sus planes de conquistar el mundo. Horrorizada, Sheeta recupera el amuleto y huye. Le entrega el amuleto a Pazu a través de una brecha en la pared, pero se ve acorralada por un Muska perseguidor en la sala del trono de Laputa.

Sheeta reprende a Muska, declarando que la gente de Laputa se marchó porque se dieron cuenta de que la humanidad estaba destinada a vivir en la Tierra. Impertérrito, Muska amenaza con matarla si no le entrega el amuleto. Pazu llega y pide hablar con ella, y Muska les concede un minuto[nota 1] Sheeta y Pazu recitan un hechizo de destrucción conectado al cristal, provocando el derrumbamiento del centro de Laputa. El destello de luz resultante ciega a Muska, que cae muerto fuera de la pantalla, mientras los niños son protegidos por las raíces de los árboles. El resto de las ruinas de Laputa ascienden hasta desaparecer de la vista, sostenidas por su cristal. Pazu y Sheeta cogen la cometa para reunirse con los piratas antes de que ambos grupos se separen.

Durante la secuencia de créditos finales, Laputa aparece flotando en órbita sobre la Tierra.