Sejak kecil, Carl Fredricksen yang berusia sepuluh tahun selalu mengidolakan penjelajah legendaris Charles Muntz, sang petualang yang tiba-tiba kehilangan nama baiknya setelah kerangka burung raksasa yang ia bawa dari Paradise Falls, Amerika Selatan, dianggap palsu. Tak terima dicap pembohong, Muntz pun kembali ke sana dengan janji akan membawa pulang seekor burung hidup, apa pun risikonya.

Di masa itu, Carl bertemu dengan Ellie, gadis kecil penuh semangat yang juga ngefans berat sama Muntz. Ellie punya buku skrap berisi petualangan dan cita-cita untuk memindahkan "markas rahasia"-nya, sebuah rumah tua yang ia temukan, ke Paradise Falls dan menjelajah dunia dengan caranya sendiri.

Waktu berlalu, keduanya tumbuh dewasa dan akhirnya menikah. Mereka memperbaiki rumah impian itu dan menetap di sana, bekerja di kebun binatang, Carl sebagai penjual balon, sementara Ellie menjadi penjaga hewan. Namun kebahagiaan mereka diuji ketika Ellie mengalami keguguran, dan keduanya sadar bahwa mereka tak bisa memiliki anak.

Meski begitu, mereka tetap menabung sedikit demi sedikit demi mewujudkan impian ke Paradise Falls, walau tabungan itu sering habis untuk kebutuhan hidup. Bertahun-tahun kemudian, Carl yang sudah lanjut usia menyiapkan kejutan: tiket senilai sekitar Rp 33 juta untuk liburan ke Amerika Selatan. Tapi takdir berkata lain, Ellie jatuh sakit dan meninggal dunia setelah memberikan buku skrap penuh kenangan mereka pada Carl.

Apakah Carl akan tetap melanjutkan impian mereka sendirian? Atau justru menemukan cara baru untuk membuat janji masa kecil itu tetap hidup?