La ingeniera de aviones Kyle Pratt (Jodie Foster) se dirige a casa desde Alemania a Nueva York en un Elgin 474 de dos pisos junto a su hija Julia, de seis años, para enterrar a recién fallecido esposo. Pero tres horas después de haber iniciado el vuelo, Kyle se despierta y descubre que su hija pequeña ha desaparecido, y ninguno de los pasajeros ni de la tripulación recuerda haberla visto. Incluso el capitán Rich (Sean Bean) y el mariscal del aire Gene Carson (Peter Sarsgaard), afirma que la niña nunca estuvo a bordo. Ante la insistencia de Kyle, el capitán realiza una búsqueda de la aeronave, pero pronto llega la noticia de que Julia murió junto con su esposo, descartando cualquier posibilidad de que haya estado en el avión. Desesperada porque nadie le cree, Kyle toma el asunto en sus propias manos, decidida a encontrar a su hija dentro del enorme espacio del avión, mientras trata de mantener la cordura en Plan de vuelo.
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