Ein Familienvater wird von Außerirdischen entführt und drei Jahre später, zu einem gefährlichen Monstrum mutiert, wieder auf die Erde zurückgebracht. Auf der Suche nach Opfern trifft er auf eine einsame Frau, die von ihm geschwängert wird. Das daraus entstandene Wesen erweist sich als ein Klon des ehemals verschwundenen Familienvaters. Als solcher schleicht er sich wieder in seine Familie ein, um mit seinem Blut seinen Sohn zu infizieren. Als dieser daraufhin ebenfalls zu einem Monstrum mutiert, ist das Grauen nicht mehr aufzuhalten.

Der Rechtsanwalt Adam Ewing lernt 1850 mit einem Schiff die Ureinwohner des Südpazifik und ihre Unterdrückung kennen. Der Junge Musiker Robert Forbisher arbeitet 1931 an seinem Wolkenatlas-Sextett und wird dabei von Ewings Tagebuch inspiriert. Die Journalistin Luisa Rey ermittelt 1975 über eine vertuschte Fehlkonstruktion beim Bau eines Atomkraftwerks und erfährt dabei auch von Forbisher. Der Verleger Timothy Cavendish, der Luisa Reys Geschichte veröffentlichen will, wird in der Gegenwart irrtümlich in ein Altenheim eingewiesen. In der nahen Zukunft kämpft die junge Replikantin Sonmi-451, deren Lieblingsfilm die Verfilmung von Cavendishs Lebensgeschichte ist, für die Anerkennung ihrer Menschlichkeit. Schließlich spielt eine Episode in ferner Zukunft, in der die menschliche Zivilisation weitgehend wieder auf den Stand der Steinzeit zurückgefallen ist. Nur ein Hologramm mit den Aufzeichnungen Sonmis kündet von der lange vergangenen Zeit.