Desde niño Carl Fredricksen soñaba con ser un gran explorador como Charles F. Muntz, y viajar como él hasta las míticas cataratas Paraíso en Venezuela.
Un sueño compartido con Ellie, una niña con la que, con el paso de los años se casó, y con la que fue muy feliz pese a no poder cumplir su deseo ya que el empleo de Carl como vendedor de globos no les permitía pagar el viaje. Y, cuando ya anciano pudo comprar los billetes, la muerte de Ellie les impidió hacerlo.
Con 78 años Carl vive de los recuerdos, y por ello no consiente en vender su casa a las constructoras pese a sus suculentas ofertas. Enfadándose tanto con ellos que tiene un altercado con un encargado de la obra, al que golpea, por lo que deciden trasladarlo a un asilo.
No lo conseguirán, pues cuando van a buscarlo hace que su casa salga volando tras haber atado la misma a miles de globos de helio, feliz de poder cumplir su sueño y el de Ellie, cuando de pronto alguien llama a la puerta, descubriendo estupefacto en su porche a Russell, un niño de 8 años empeñado en conseguir la insignia de explorador que le falta: la de ayuda a los mayores y al que el vuelo de la casa le pilló intentando encontrar un "gamusino", que es la tarea que Carl le encomendó.
Carl siente que su sueño se ha ido al traste, pues deberá bajar para devolver al niño a su familia. Aunque se lo impedirá una fuerte tormenta, que hará que la casa vague a su merced, para encontrarse al despertar con que están al lado de las Cataratas Paraíso.
No pudiendo subir a la casa deciden llevarla hasta las cataratas atada como si de un globo más se tratara, encontrándose en su camino con un extraño pájaro gigante al que le encanta el chocolate de Russell, y que les acompañará para fastidio del viejo que no quiere ni al pájaro ni a Dug, un perro que encuentran también en el camino ansioso por tener un amo y que puede hablar gracias a un collar especial que traduce en palabras sus ladridos.
Tras Dug aparece un grupo de furiosos perros que los acorralarán y les obligarán a variar su rumbo hasta llegar a una extraña cueva habitada por el dueño de los mismos, en el que Carl reconoce de inmediato a su gran héroe, Charles Muntz, que se ha instalado en la cueva con su dirigible y que tiene una extraordinaria colección de huesos.
Serán sus invitados y disfrutarán de su compañía hasta darse cuenta de que Muntz está obsesionado con atrapar al extraño pájaro que les acompaña y al que Russell llamó Kevin, desde que, cuando Carl era un niño fue acusado de fraude al llevar el esqueleto de ese pájaro, jurando que no volvería hasta capturarlo vivo para resarcirse.
Al darse cuenta de su locura Carl y Russell escapan ayudados por Dug, aunque luego les localizarán gracias al GPS de Dug, llegando hasta ellos y consiguiendo apresar a Kevin.
Pero Russell no está dispuesto a permitirlo, y tras hacerse con algunos de los globos parte al rescate de Kevin, decidiendo Carl entonces ir a ayudarlos haciendo volar nuevamente la casa tras deshacerse de los muebles, acompañado por el feliz Dug, de tener un nuevo amo.
Russell consigue llegar al dirigible, pero es apresado por los perros y Muntz decide deshacerse de él, llegando Carl con su casa a tiempo de rescatarlo, acudiendo después a auxiliar a Kevin, consiguiendo rescatarlo tras despistar a los perros con una pelota.
Russell entretanto consigue también confundir a los perros y envía la casa hacia el dirigible para rescatar a Kevin y a Carl que se enfrenta a Muntz consiguiendo acabar con él cuando este iba a acabar con Russell.
Ya a salvo, y tras dejar a Kevin con sus polluelos vuelven a casa en el dirigible sin poder ver que la casa acaba junto a la catarata Paraíso.
Russell conseguirá por fin su insignia y una amistad para siempre con Carl.