我們頭上的一片天空，高度超過100公里，將宇宙和地球分隔開來，亦為人類提供源源不絕的氧氣，使地球適合人類居住。然而，我們對於大氣層的了解仍然未夠深入，許多問題仍有待解答──到底生物曝露於哪個高度之中就不能生存？什麼類型的空氣最容易造成雨水？這些問題驅使一群致力研究大氣層的氣象學家、飛行員和探險家，登上「雲上實驗室」飛行船，橫越北美，途經佛羅里達州和墨西哥灣沿岸的沼澤、亞利桑那州大沙漠和加州海岸，對大氣層進行研究和實驗。「雲上實驗室」飛行緩慢而穩定，保持在固定位置，讓研究隊觀察天氣現象的發展，並進行多項科學實驗。研究隊中的一名昆蟲學家，更會仔細研究昆蟲於高空中的生活，揭開生命與天氣之間的關係，並解釋颶風如何形成。氣象學家更會解釋雲的形成，以及擁有多樣性的生態系統和氣候之間的關係。這些珍貴的實驗結果可以大幫助人類預測自然災害，提高農作物產量，保護野生動物，裨益不少。