故事開始時，小男孩卡爾·弗雷德裏克森正聚精會神地看著新聞片。著名的探險家查爾斯·孟茨和他的狗剛剛乘熱氣球從南美探險歸來。孟茨宣布他發現了壹個新物種，但科學家不相信他，稱他為騙子，孟茨名譽掃地。但小卡爾對蒙茨的經歷深信不疑，把他的話放在心上，尤其是他的那句“冒險就在那裏”，被小卡爾奉為至理名言，他也想成為像蒙茨壹樣偉大的探險家。
在畫面的轉彎處，小卡爾拿著壹個氣球走回家。當他路過壹棟無人居住的房子時，又傳來了另壹個孩子的聲音。這是壹個假小子女孩，名叫艾莉，也癡迷於蒙茲的冒險故事。喋喋不休的艾莉把房子頂上的風向標當成了操縱桿，把整個房子當成了壹艘大飛船，試圖說服不知所措的卡爾加入她的計劃，坐進壹座“會飛的房子”當然，兩個孩子沒有飛起來，而是掉了下來。但是卡爾和艾莉互相了解了。後來，鏡頭向我們展示了他們兩人成長、結婚和同居的蒙太奇畫面。艾莉做了壹個城市動物園，卡爾弄了壹輛車去賣氦氣球。兩人壹生都夢想探索蒙茨所說的南美天堂瀑布，卻總是疲於奔命。直到艾莉病逝，這個願望沒能實現。
艾莉死後，卡爾變得孤僻，不願與人接觸。但更糟糕的是，他的房子就在政府規劃的土地上，那裏即將建起壹座摩天大樓。不想搬離這裏的卡爾成了“釘子戶”，政府派人準備送他去養老院，但就在那些人來之前，卡爾做了壹個決定，帶著房子離開這裏，去南美實現妻子的夢想！
於是我們看到了預告片裏的經典壹幕，五顏六色的氣球把壹整棟房子拖到空中。飛屋在空中俯瞰地球的畫面非常漂亮(這是導演創作這部電影的最初靈感)。
但老卡爾沒想到的是，他登上了壹個“非法移民”——壹個8歲的亞裔男孩拉塞爾。這個過分樂觀的男孩喜歡語速很快。他加入了野外探險家協會。為了成為高級會員，他只需要收集最後壹枚徽章——扶老徽章。不幸的是，他選擇幫助的目標是古怪的卡爾，他討厭這個總是跟著他的胖家夥。
卡爾想了很多辦法，把這個討厭的孩子從飛行屋扔出去。但還沒等他付諸實施，飛屋就飛進了暴風雲中，阿裏的很多遺物都掉了下來。卡爾急著保護這些東西...卡爾醒來後，“偷渡者”小羅告訴卡爾，他的GPS可以幫助他們飛到“仙境瀑布”，但卡爾還是剪下壹些氣球，準備降落，把小羅送上回家的大巴。這時，意外發生了。濃霧中緊貼地面的飛行房屋撞上了壹塊巨石。雖然房子躲過了壹劫，卡爾和小羅還是被甩了下來。眼看飛屋就要飄走，卡爾用水管將其困住，然後飛屋拖著他，直到停在懸崖邊。卡爾這才發現“仙境瀑布”就在眼前(如右圖)。從這裏開始，兩個人開始徒步拖著飛行屋(他們後來進了叢林)。那天晚上，羅納爾迪尼奧和卡爾談起了他的家...
在叢林中，卡爾和小羅認識了壹個新朋友——壹只長著紅色長喙的彩色鳥(探險家蒙茨發現的新物種)。這只鳥真的很大，喜歡吃巧克力。小羅給它取名凱文。小鳥很喜歡小羅，但不太喜歡卡爾。然後他們遇到了他們的第二個朋友，逗逗，壹只會說話的狗，並說這狗不會說話是不確切的。事實上，戴在狗脖子上的項圈可以通過人類語言表達狗的想法。然後他們來到壹個峽谷，那裏出現了幾只狗，兩只牛頭犬和阿杜·賓泉(其他許多狗相繼出現，都與蒙茨有關)。
後來，父子倆被帶到壹艘飛艇上，他們發現飛艇的主人其實是探險家查爾斯·孟茨。他的目的是抓住大鳥，證明自己。
知道孟茨為了達到目的會不擇手段，父子倆先逃了。當他把大鳥放回家時，孟茨來了，把大鳥帶走了...然後，父子倆和孟茨壹起為救大鳥而戰。但是孟茨把飛機從飛艇上放了下來，幹擾了飛行屋...
戰鬥結束後，孟茨和飛行屋雙雙墜入雲端。與大鳥告別後，父親和大狗駕駛著蒙茨的飛艇回到了城裏，小羅也獲得了卡爾頒發的壹枚徽章。三個“人”成了形影不離的朋友，過著幸福舒適的生活(就像小羅和卡爾聊起自己的家庭時描述的那樣)。而他們的飛行屋最終也隨著氣球獨自飄到了“平頂山礦脈”的仙境瀑布邊緣(而蒙茲下落不明)，實現了艾莉和卡爾的終生夢想。