Głowa w chmurach to rozpisany na dwie dekady dramat wojenno-romantyczny o trójce kochanków, których łączy paryska bohema, a rozdziela polityka, wojna i własne wybory.

Akcja Głowy w chmurach rozgrywa się między hedonistycznym Paryżem lat 20. a mrocznymi czasami II wojny światowej. Główną bohaterką jest Gilda Bessé (Charlize Theron) — fotografka o arystokratycznych korzeniach, która jako nastolatka usłyszała od wróżki przepowiednię o przedwczesnej śmierci i od tamtej pory żyje, jakby każdy dzień miał być ostatni. W 1933 roku poznaje w Cambridge irlandzkiego studenta Guya Malyona (Stuart Townsend), z którym wiąże ją burzliwy romans.

Po latach rozłąki Gilda i Guy spotykają się ponownie w Paryżu, gdzie dołącza do nich hiszpańska modelka i pielęgniarka Mia (Penélope Cruz). Trójka tworzy niekonwencjonalny układ miłosny i prowadzi bohemiczne życie w cieniu nadciągającej katastrofy. Wybuch wojny domowej w Hiszpanii zmusza Guya i Mię do politycznego zaangażowania, podczas gdy Gilda woli odwracać wzrok od historii. Lata późniejsze, naznaczone niemiecką okupacją Francji i pojawieniem się nazistowskiego oficera Franza Bietricha (Thomas Kretschmann), wystawią ich uczucia i lojalność na próbę.