Patema Inverted propune o ipoteză fantastică: cum ar fi dacă, într-un viitor relativ apropiat, în 2067, oamenii ar putea folosi energia gravitațională și ar încerca să facă experimente cu ea? Filmul ne spune că experimentele ar eșua, lumea așa cum o știm divizându-se în două, cu forțe gravitaționale inversate: o lume la suprafața pământului și alta sub pământ. În aceste condiții se întâlnesc Patema și Eiji, doi adolescenți din lumi diferite, care află împreună secretele întunecate ale universului lor.