Im Jahr 2154 gibt es zwei Klassen von Menschen: Eine kleine Schicht von Privilegierten und Superreichen auf der Raumstation Elysium (latinisiert von altgriechisch Elysion für „Insel der Seligen“) und die Masse der Menschheit auf der abgewirtschafteten und überbevölkerten Erde, die nur noch als Produktionsstätte dient.
Der als Waise aufgewachsene Produktionsarbeiter Max Da Costa hat inzwischen ein langes Vorstrafenregister. Eine brutale Roboterpolizeistreife bricht ihm wegen einer nichtigen ironischen Bemerkung bei einer Routinekontrolle den Arm. Im Krankenhaus trifft er seine Jugendliebe Frey wieder, die jetzt Krankenschwester ist. In der Rüstungsfabrik, in der er Roboterteile fertigt, soll er einen Störfall beheben und wird dabei radioaktiv verstrahlt. Er hat nur noch fünf Tage zu leben. Der reiche Fabrikbesitzer John Carlyle lässt ihm daraufhin Tabletten geben, die Da Costa vorläufig wieder auf die Beine bringen, und wirft ihn hinaus.
Auf Elysium existieren medizinische Geräte, die jede Krankheit heilen können und den reichen Bewohnern Elysiums überdies nahezu Unsterblichkeit verleihen. Auch Da Costa könnte auf Elysium geheilt werden. Da Costa wendet sich an den Rebellen und Kriminellen Spider, der regelmäßig mehr oder weniger erfolgreich die Schutzmechanismen von Elysium durchbricht und als Schleuser kranken Erdbewohnern den Zugang zu Elysium ermöglicht. Diese versuchen dann, in eine der Villen einzudringen und sich mit den dortigen Geräten selbst zu heilen. Bei einem solchen Flug nach Elysium werden zwei von Spiders Raumschiffen von einem Söldner namens Kruger abgeschossen, der im Auftrag der skrupellosen Verteidigungsministerin Elysiums, Delacourt, arbeitet. Dabei werden Dutzende Menschen getötet. Dem Präsidenten Patel missfällt diese zu viel Aufsehen erregende Entscheidung der Ministerin, was diese wiederum in Zorn versetzt.
Spider fordert unterdessen von Da Costa als Gegenleistung für einen Flug nach Elysium den Raub von Daten aus dem Gehirn eines Privilegierten, um an dessen Geheiminformationen zu kommen. Da Costa willigt ein und erhält ein Gehirnimplantat und Cyborgerweiterungen in Form eines Exoskeletts, um die Daten zwischenzuspeichern und seine Kraft zu steigern. Da Costa entscheidet sich dazu, John Carlyle zu überfallen und dessen Daten zu stehlen. Der Überfall gelingt, Carlyle wird dabei verletzt und stirbt, nachdem die Überspielung der Daten aus seinem Gehirn in das von Da Costa gelungen ist.
Zuvor aber hatte Carlyle für Delacourt ein Neustartprogramm für den Betrieb von Elysium geschrieben, mit dessen Hilfe sich die Ministerin zur Präsidentin putschen will. Als Gegenleistung bekam Carlyles in Schwierigkeiten steckende Firma einen Exklusivvertrag für Rüstungsgüter von ihr. Carlyle hatte das Putsch-Programm zu seiner Sicherheit über eine Schnittstelle in seinem Gehirn gespeichert.
Spider erkennt die Möglichkeiten des Restartprogramms in der Kopie von Da Costa. Bei dem Überfall auf Carlyle wurde Da Costa verletzt, er sucht Frey auf. Sie versorgt die Wunde und bittet ihn um einen Flug nach Elysium für ihre leukämiekranke Tochter Matilda, aber Da Costa verlässt sie, um sie nicht zu gefährden. Delacourt lässt Da Costa wegen der Brisanz der geraubten Daten verfolgen und verhängt ein Flugverbot über Los Angeles. Kruger nimmt Frey und Matilda als Geiseln und verfolgt Da Costa. Dieser erkennt, dass er nur auf einem Schiff unter dem Befehl Elysiums eine Chance hat, rechtzeitig zu einem der medizinischen Behandlungsgeräte zu gelangen. Er lässt sich von den Söldnern gefangen nehmen und wird zusammen mit Frey und Matilda nach Elysium gebracht. Da Costa verursacht eine Bruchlandung des Raumschiffs auf Elysium und wird nun dort von Delacourt und Krugers Gruppe gejagt. Beide wollen den Neustart der Raumstation dazu verwenden, um selber die Macht über sie zu erringen. Deshalb tötet Kruger Delacourt. Bei dem Versuch, auch Da Costa auszuschalten, unterliegt er diesem im Zweikampf und stirbt.
Spider, der mittlerweile mit einem eigenen Raumschiff auf Elysium angelangt ist, überträgt die Daten aus Da Costas Kopf in die Raumstation und führt den Reset durch. Dabei setzt er alle Erdenbürger als Bürger Elysiums ein. Bei der Übertragung stirbt Da Costa, da Carlyle die Daten geschützt hatte. Durch den Reset kann Frey das medizinische Behandlungsgerät für ihre Tochter Matilda verwenden, da diese nun als Bürgerin Elysiums gilt.
Die Roboter-Soldaten attackieren nun auch Spider nicht mehr, da es ihnen nicht erlaubt ist, gegen Bürger Elysiums vorzugehen. Das Computersystem stellt fest, dass eine große Menge der neuen Bürger Elysiums medizinische Hilfe benötigt, also starten sofort Versorgungsschiffe mit medizinischen Behandlungsgeräten zur Erde.