Patema ist ein flottes junges Mädchen, das in einer unterirdischen Zivilisation mit einem weitläufigen Tunnelnetzwerk lebt. Inspiriert von einem Freund, der unter mysteriösen Umständen verschwand, wird sie aufgrund ihrer königlichen Position oft für ihre häufigen Erkundungen dieser Tunnel gescholten. Als sie in die sogenannte "verbotene Zone" vordringt, stürzt sie versehentlich in eine riesige, scheinbar bodenlose Grube, nachdem sie von einer seltsamen Kreatur erschreckt wurde.
Als sie sich auf der Oberfläche wiederfindet – einer Welt, die buchstäblich auf dem Kopf steht – beginnt sie in den Himmel zu fallen, wird jedoch von Age, einem desillusionierten Schüler aus dem totalitären Staat namens Aiga, gerettet. Den Bürgern von Aiga wird beigebracht, dass "Inverts" wie Patema Sünder sind, die "vom Himmel verschluckt" werden, aber Age hat diese Propaganda abgelehnt und beschließt, seine neue Freundin zu beschützen. Eine zufällige Begegnung zwischen zwei neugierigen Teenagern führt sie dazu, zwei verschiedene Welten zu erkunden, während sie sich zusammenschließen, um die Wahrheit hinter ihrer Herkunft in Sakasama no Patema zu enthüllen, einem herzerwärmenden Film darüber, Unterschiede zu überwinden, um nebeneinander zu existieren.
