小姑娘希达是传说中“天空之城拉普达”王族的后裔，那曾是超越地上文明不知几千年的空中文明。但不知为何，希达的祖先抛弃发达的科技，在地面上过起隐居的生活。一天，几个不明身份的男子出现在她家门口，故事由此展开。
主角巴斯是一位矿工机师的徒弟，有一天，他在工作中发现一个亮晶晶的东西正在慢慢地下落。他飞也似的跑过去，发现是一个女孩子，她被一团蓝光包围，从天上飘下来。第二天，希达在巴斯的房间里醒来，发现房里有一张“天空之城拉普达”的照片，这是巴斯的父亲冒着生命的危险拍到的。父亲在郁郁寡欢中去世，巴斯发誓一定要证实天空之城的存在。
嗅觉灵敏的海盗很快就找上门来。巴斯和希达经历了令人眼花缭乱的追捕与逃跑，最终在众目睽睽之下掉入矿井。希达的飞行石再次发光，令他们安全飘落。矿井中，飞行石和井下的矿石发生共鸣，这里曾是开采飞行石原料的地方。传说只有拉普达人才掌握着提炼飞行石的技术。
二人刚出矿井，就被军队抓住。希达被带往要塞，在那里，一个叫穆斯卡的人给希达看一个巨大的机器人，说是从天空之城掉下来的。当天晚上，希达念起祖辈所流传的咒语，飞行石发出光，令机器人再次活起来，整个要塞变成火的海洋。巴斯趁乱和海盗达成联盟飞入要塞救出了希达。匆忙中希达丢失了飞行石，而穆斯卡得到了宝石，命军队按照宝石上圣光的指引，飞向天空之城。
海盗妈妈从希达的记述中算出了天空之城的方位，带着希达的二人乘海盗飞艇全速前进！即将到达之时，前方出现龙卷风，和穆斯卡的舰艇狭路相逢，交战中巴斯和希达的滑翔机被卷入龙卷风里。龙卷风的中心，正是传说中的飞岛“天空之城拉普达”！这儿是寂静的天堂，只有机器人值守的空中都市，植物和远古生物的家园。
宫崎骏的作品中，科学技术最好的地方就是没人居住，在《天空之城》中也是如此。反之，“风之谷”中为生存而奋斗着的人们虽然只有古老的技术，但却是机器的主人。穆斯卡抓住了海盗们，也来到了拉普达，他迫使希达和他一起进入中央控制室，启动黑石碑上的文字，即将开始他称霸世界的野心。希达抢回飞行石，为了阻止穆斯卡，她和巴斯一起念起毁灭一切的咒语：巴鲁斯。拉普达解体，邪恶和助纣为虐的武器系统一同化为大气层的火球坠入海中，而使拉普达漂在空中的巨大飞行石结晶载着拉普达的生命之树，上升到天空的尽头。
