Jiro (interprété par Joseph Gordon-Levitt) rêve de voler et de concevoir de beaux avions, inspiré par le célèbre designer aéronautique italien Caproni (interprété par Stanley Tucci). Myope depuis son plus jeune âge et donc incapable de devenir pilote, Jiro rejoint une importante société d'ingénierie japonaise en 1927 et devient l'un des concepteurs d'avions les plus innovants et les plus accomplis au monde.
Le film retrace une grande partie de sa vie, en décrivant des événements historiques clés tels que le grand tremblement de terre de Kanto en 1923, la Grande Dépression, l'épidémie de tuberculose et la plongée du Japon dans la guerre. Jiro rencontre et tombe amoureux de Nahoko (interprétée par Emily Blunt) et développe et chérit son amitié avec son collègue Honjo (interprété par John Krasinski).