1850年，南太平洋，美国公证人亚当·尤因（吉姆·斯特吉斯 Jim Sturgess 饰）在船上被不明寄生虫病折磨，他用日记记录下自己所见所闻；1931年，苏格兰，落魄青年罗伯特·弗罗比舍（本·卫肖 Ben Whishaw 饰）为音乐大师记录曲谱，受到半本旅行日记的启发创作出了恢宏壮阔的《云图六重奏》；1975年，美国加州，小报记者路易莎·雷（哈莉·贝瑞 Halle Berry 饰）冒着生命危险调查一桩核电站丑闻，在老唱片店她被一首不知名的乐章打动；2012年，英国伦敦，被囚禁在养老院的出版商蒂莫西·卡文迪什（吉姆·布劳德本特 Jim Broadbent 饰）揣着一叠由女记者写成的纪实文学，打算将自己的“越狱经历”拍成电影；乌托邦未来，首尔，餐厅服务员克隆人星美-451（裴斗娜 Doona Bae 饰）开始形成自我意识和反抗人类，她在人类图书馆看了一部飞跃老人院的电影；文明毁灭后的未来，夏威夷，牧羊土着扎克里（汤姆·汉克斯 Tom Hanks 饰）对高科技文明的先知心怀敌意，他的部落唯一相信的女神叫星美…… 不同的人物、场景和事件在时空中更迭变幻，不变的是每个主角身上都带有彗星形状的胎记。它像亘古灵魂的烙印，将人性中的反抗精神代代延续，最终织成一幅浩瀚璀璨的云图。
科幻片