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Carl Fredricksen (Edward Asner) è un bambino statunitense (del New Hampshire) di 8 anni che, nel 1929, sogna di avventurarsi in Sud America per raggiungere le Cascate Paradiso, in Venezuela, come il suo idolo, l'esploratore ventiduenne Charles Muntz, accompagnato da alcuni cani (evoluti da lui stesso) e da "Spirit of Adventure", il suo dirigibile-hotel. Muntz, in quel momento, è costretto a tornare in Venezuela, in quanto è stato accusato di aver falsificato delle ossa di un animale raro, e quindi, per ristabilire la sua credibilità, deve catturarne un esemplare vivo. Il film inizia con Carl che vede questa notizia al cinegiornale, mentre Muntz parte. Quello stesso giorno, Carl, mentre torna dal cinema, incontra Ellie, una bambina maschiaccio, con il suo stesso sogno. Quella sera Ellie fa giurare a Carl di portarla alle cascate paradiso. Qui inizia una carrellata di tutta la loro vita assieme: tra i due nasce un grande sentimento e divenuti adulti, si sposano e vanno a vivere insieme nella casa abbandonata (ora ristrutturata) dove giocavano da piccoli. Carl lavora come venditore di palloncini nello Zoo di animali di origine sudamericana, lo stesso dove lavora Ellie. Come ogni coppia, però, dovranno scontrarsi coi problemi della realtà quotidiana come le bollette, il fatto che la coppia non possa avere figli ed infine gli acciacchi dell'età, dopo la pensione. Per tutti questi motivi continuano a rimandare il viaggio in Sud America. Proprio quando Carl compra i biglietti per il Venezuela, sua moglie Ellie, ormai troppo anziana e malata, muore.

Nel 1999, dopo 70 anni di fallito tentativo, la vita sembra non offrire più a Carl abbastanza tempo per realizzare il sogno di un viaggio avventuroso come voleva sua moglie Ellie, di cui è ancora innamorato. Come se non bastasse, la sua casa è nel bel mezzo ad una serie di lavori che hanno completamente distrutto il suo vecchio quartiere. Un giorno arriva un bulldozer che accidentalmente urta la sua cassetta delle lettere. Uno degli operai cerca di aggiustarla, ma Fredricksen infuriato lo ferisce alla testa con una bastonata; pur essendo troppo anziano per essere un pericolo pubblico viene obbligato al ricovero in casa di riposo, mentre casa sua sarà abbattuta.

Per sfuggire al ricovero ha l'idea di far volare la sua casa utilizzando i palloncini gonfiati con elio che gli sono avanzati, ed andare in Sudamerica come Charles Muntz. Durante il volo bussa alla sua porta Russell (Jordan Nagai), un bambino scout di 8 anni, rimasto sulla veranda di casa mentre veniva da lui, come il giorno prima, per aiutarlo ed avere poi il distintivo-scout di "assistenza agli anziani". Questo è l'ultimo che gli manca tra gli altri distintivi, per avere il medagliere completo, sperando in questo modo di ricevere così le attenzioni del padre vedovo, sempre in viaggio per affari. Sarà con Russell che Carl Fredricksen intraprenderà il viaggio dei suoi sogni in Sudamerica, dove arriverà dopo una lunga tempesta. Sul posto incontrano "Kevin", un incrocio multicolore tra struzzo e pavone di dimensioni enormi, incapace di volare, che subito si affeziona a Russell, e in seguito Dug, un cane dotato di un collare che gli consente di parlare, il quale si affeziona a Carl.

Misteriosamente, Dug decide di mettersi in viaggio urgentemente con Carl e Russell, dichiarando infatti di voler prendere Kevin come prigioniero. Dopo aver fatto un po' di strada, Kevin scappa via, tornando dai suoi piccoli. In quel momento, Carl e Russell vengono attaccati da Alfa, Beta (Delroy Lindo) e Gamma (Jérôme Ranft), tre cani, che come Dug dispongono dei collari parlanti, che vogliono portare Carl e Russell dal loro padrone. Così accade, e Carl scopre che il loro padrone è Charles Muntz, il suo idolo ed energico novantaduenne, che negli anni ha evoluto, con i collari, i suoi cani (sia quelli vecchi morti che le nuove generazioni venute col tempo) ed è rimasto sempre lì per catturare il famoso esemplare raro. Charles li invita a cena nel suo dirigibile, con grande gioia. Ma mentre sono nella sala da pranzo, Muntz dice che sta dando la caccia proprio alla specie di Kevin, come uccello raro (avendo falsificato le ossa anni prima), e che, a causa di questa sua ossessione per il tipo di uccello (come gli antenati di Kevin) e per arricchirsi, ha ucciso molti altri esploratori che tentavano di imitarlo. Sfortunatamente, Muntz si accorge che Kevin è tornato nella casa di Carl (per rivedere Russell), e per questo, fa inseguire lui e Russell dai suoi cani, per ucciderli personalmente ed avere finalmente l'esemplare. Grazie all'aiuto di Kevin e Dug, che, volendo bene a Carl, si è ribellato a Muntz, i due umani si salvano. Ma nell'inseguimento Kevin resta ferita da Alfa, così Carl e Russell decidono di aiutarla a tornare a casa dai suoi piccoli. Ma Muntz, allora, piuttosto che uccidere Carl, decide di usare proprio Fredricksen per arrivare a Kevin.

Infatti, proprio quando sembra che Kevin sia libera, arriva davanti alla sua tana Muntz, che riesce a intrappolare Kevin sparandole una rete da pesca addosso e mentre Carl sta andando a liberarla, Muntz corre verso il punto debole di Fredricksen, cioè la sua casa, e le dà fuoco, costringendo Carl a scegliere tra la sua abitazione e Kevin. Carl salva la casa (che è sempre stata un ricordo di sua moglie) e lascia che Muntz catturi Kevin e che riparta per gli Stati Uniti. Subito dopo afferma di non voler più aiutare Kevin e sgrida Dug dicendo che è colpa sua se Kevin è stata catturata. Dug si allontana deluso. Carl così riparte per le cascate, seguito da Russell, triste per Kevin ed arrabbiato con l'anziano uomo.

I due arrivano con la casa in cima alle tanto attese cascate, ma Russell è ancora irato. Mentre entra in casa depresso, Carl, sfogliando il libro delle avventure lasciatole da Ellie, per metterci le foto delle cascate se lui un giorno ci fosse arrivato, scopre per caso e con grande sorpresa un messaggio della moglie all'ultima pagina, che non aveva mai notato prima: il messaggio dice che non era necessario un viaggio per renderla felice, poiché la vera avventura è stata trascorrere la sua vita insieme a lui: "grazie per queste avventure, ora vivine una tu". Così Carl, cambiando carattere per le parole dolci, capisce cosa è giusto fare e decide di aiutare Kevin. Ma quando sta per dirlo a Russell, quest'ultimo stacca molti palloncini dalla casa, e, attaccato ad essi, li usa per raggiungere il dirigibile di Muntz, allo scopo di liberare Kevin. Allora Carl, svuotando la casa per volare, perché con pochi palloncini pesa troppo, lo segue subito dopo, insieme a Dug, nascostosi sotto il portico ed ormai affezionatosi a Carl, che decide infine di tenerlo con sé, ora che il messaggio di Ellie gli ha cambiato il modo di pensare. Russell, che nel frattempo ha raggiunto le nuvole, giunge nel dirigibile, ma viene catturato da Alfa.

Dopo aver salvato Russell, che stava per essere buttato giù dal dirigibile da parte di Muntz, Carl trova e libera Kevin. In quel momento, Carl si trova davanti Muntz e così i due lottano a bastonate e con le dentiere, mentre Dug lotta con i cani e Russell cerca di pilotare la casa di Carl, per aiutarlo contro i cani Beta, Gamma e Omega (Josh Cooley) (i "Capo Grigio", evoluti come bombardieri), che egli riesce a sconfiggere, distraendoli e facendogli fare un incidente. Durante la lotta, però, Muntz spara ai palloncini facendo cadere la casa con il bambino, lo struzzo e il cane, ma Russell si aggrappa in tempo ad una fune di Carl, il quale attira anche Kevin e Dug alla corda (la stessa usata da lui, quando trasportava la casa alle cascate). Carl ha lasciato cadere la casa, scomparsa tra le nuvole, perché ha capito che i ricordi di Ellie gli rimangono nel cuore, non nell'abitazione. Anche i cani sono diventati amici di Carl grazie al fatto che Dug è divenuto il loro capo, spodestando il cane Alfa, che ora indossa il collare della vergogna (un cono bianco). Muntz (che non spara a Carl, per non fargli mollare la fune ed allontanare la sua preziosa Kevin), nel tentativo di uccidere Russell ed afferrare Kevin alla fune, s'impiglia negli ultimi palloncini rimasti in cielo. Tenta ancora di raggiungerli, ma i palloncini, essendo pochi, si staccano e Muntz muore, cadendo nel vuoto. Così Carl, Russell e Dug riportano Kevin dai suoi piccoli e le dicono addio. Subito dopo, i due umani prendono il dirigibile di Muntz e tornano nel New Hampshire, con Dug e gli altri cani. Grazie a Carl, Russell riesce poi a ottenere il distintivo che desiderava (assistenza agli anziani; il distintivo era quello usato da Carl ed Ellie da piccoli) e a diventare un esploratore scelto della natura; così riesce ad avere anche la stima del padre, pure se egli non si presenta alla sua premiazione. Da quel giorno, Carl, proprietario del dirigibile (non finendo più in casa di riposo, per aver salvato un bambino senza fargli del male (a differenza dell'operaio)), resterà con Russell e Dug, a casa del primo, giocando con loro e godendosi quella meravigliosa avventura che è la vita.