Zamężna astronautka Lucy Cola (Natalie Portman), która powraca na Ziemię po 10 dniowej misji i nie może poradzić sobie z zastaną rzeczywistością. Wkrótce wdaje się w romans z innym astronautą Markiem Goodwinem (Jon Hamm), który nie jest obojętny bohaterce. Gdy Lucy traci związek emocjonalny z rodziną, jej życie zaczyna staczać się po równi pochyłej.

Lucy Cola niedawno wróciła na Ziemię po odbyciu misji w kosmosie. Obecność kochającego męża nie zdołała jednak osłodzić ciężkich chwil, których przyszło jej doświadczyć. Pogodzenie się z zakończeniem misji i oswojenie się z przeciętną w jej oczach rzeczywistością stanowi wyzwanie, zwłaszcza trudne do osiągnięcia, gdy poczucie osamotnienia i niezrozumienia doskwiera i ugniata coraz mocniej. Jedyne czego kobieta pragnie i wokół czego koncentrują się wszystkie jej myśli to powrót do nieba.
Fabuła dramatu oparta jest na prawdziwej historii z życia kobiety-astronautki Lisy Nowak. Film "Lucy in the Sky" porusza temat problemów, z jakimi muszą zmierzyć się astronauci, a także opowiada o trudach adaptacji i powrotu do dotychczasowego życia

Astronautka Lucy wraca z pierwszej misji, ale myślami wciąż pozostaje z dala od Ziemi, wśród gwiazd. Rzeczywistość jaka ją otacza jest ciężka do przyjęcia. Zaczynając "nowe" życie, Lucy nie skupia się na rodzinie, a jej bliscy czują niepokój będąc w pobliżu. Z czasem jej zachowanie staje się coraz dziwniejsze. Dodatkowo, kobieta wdaje się w romans, nie zważając na konsekwencje.