小さな鉱山の町で見習い機械工として働く少年・パズー(田中真弓)は、両親を亡くし、町のはずれの家に一人で暮らしている。ある夜、残業中のパズーの“上”に、空から女の子が“降ってきた”! 思いがけない出来事に戸惑いながらも、パズーはその少女を家に連れて帰ることに。
翌朝、目を覚ました少女・シータ(横沢啓子)は、生まれ育った村から突然黒メガネの男達に連れ去られたこと、そして飛行船で運ばれる途中でドーラ(初井言榮)が率いる空中海賊の攻撃を受け、飛行船から落ちてしまったことをパズーに打ち明ける。シータが持っているペンダントが、彼女の命を救ったのではないかとパズーは疑うのだが…。
そこに、ドーラ一味が現れた。彼女を守ろうと親方(糸博)の元へ走ったパズーとシータは、空賊の目を盗んで渓谷を走る軽便鉄道の機関車に乗り込んだ! しかし、そんな彼らの前に国防軍の装甲列車が現れる。その中に自分を狙う黒メガネの男の姿を発見したシータは、咄嗟に逃げ出し…! 空賊と国防軍の戦闘に巻き込まれ、シータとパズーは谷底に落下。これで終わりかと思った瞬間、シータのペンダントが輝き始め、2人の身体はふわりと宙に浮かび上がった。
渓谷の底に降り立った2人は、鉱山師のポムじい(常田富士男)の案内で出口を探すことに。2人の話を聞いたポムじいは、ペンダントの石がラピュタに伝わる“飛行石”の結晶であることを2人に告げる。亡き父が発見した空に浮かぶ島・ラピュタが実在したことを確信したパズーは喜ぶが、鉱山の出口で待ち受けていた国防軍に捕らえられてしまった。
黒メガネの男・ムスカ(寺田農)から軍の要塞に連れていかれたシータは、ラピュタから落下して来たロボットを見せられる。さらにムスカから衝撃の事実を知らされて…。
一方、ムスカから釈放されて家に戻ったパズーは、家に上がり込んでいたドーラと対面。ラピュタの財宝を手に入れるために国防軍の動きを監視していたドーラは、パズーが釈放されてくることもお見通しだったのだ。ラピュタへ行くためにはシータの力が必要だと直感したパズーは、ドーラを説得し、シータを奪い返すために要塞へ向かうことに。
パズー、シータとドーラ一味、そしてムスカたち軍の一行、誰もが目指す「天空の城ラピュタ」を果たして見つけることができるのか!?