Buluttaki Gölge, İkinci Dünya Savaşı sırasında gizli belgeler taşıyan bir B-17 bombardıman uçağında hayatta kalmaya çalışan Yüzbaşı Maude Garrett’in hikayesini anlatıyor. Maude, uçağa bindiğinde erkek mürettebatın kuşkucu bakışlarıyla karşılaşır ve dar alanda görevini yapmaya çalışır. Chloë Grace Moretz’ün Maude Garrett’i ve Nick Robinson’un Stu Beckell’i, yolculuk boyunca aynı uçağın içinde yer alır. Ancak uçuş ilerledikçe kabinin içinde insanları hedef alan karanlık bir varlık ortaya çıkar. Maude, hem mürettebatın şüphesini aşmak hem de saldırılara karşı koymak zorunda kalır. John Reeves, Walter Quaid ve Anton Williams da bu tehlikeli yolculukta ona eşlik eder. Uçak hasar alırken Maude, elindeki sınırlı imkanlarla ekibi ve taşıdığı gizli yükü korumaya çalışır.