科幻动作片《天空上尉与明日世界》将故事置于未来的某一天：纽约突然遭到神秘势力袭击，飞行员约瑟夫·苏利文，也就是天空上尉（裘德·洛饰），在收到求救信号后挺身而出。经过一番激烈交锋，城市暂时恢复平静，而他也在战斗中意外救下了昔日恋人、记者波莉（格温妮斯·帕特洛饰）。
波莉一直在追查的事件，竟与这场突如其来的袭击存在密切关联，隐藏在幕后的，是一个牵涉巨大的阴谋。为了应对即将到来的决战、守护整个世界，天空上尉和波莉向海军女子特谴队队长弗兰姬·库克（安吉莉娜·朱丽饰）以及技术专家戴克斯（吉奥瓦尼·瑞比西饰）寻求援助。一场正邪之间的较量就此拉开序幕。
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