En «La paradoja de Cloverfield», la Tierra se queda sin recursos y las tensiones internacionales aumentan. Hamilton (Gugu Mbatha-Raw) se une a una misión experimental en el espacio, donde su equipo intenta construir un acelerador de partículas llamado «Shepard» que podría producir energía ilimitada para el planeta. Después de más de un año de pruebas fallidas, la tripulación de la Estación Espacial Cloverfield logra poner en marcha con éxito el acelerador… hasta que se funde. Cuando estabilizan la nave, la Tierra ha desaparecido.
Cosas extrañas comienzan a suceder alrededor de la estación. El astronauta ruso Volkov (Aksel Hennie) se vuelve loco y usa una impresora 3D para hacer un arma, convencido de que su colega alemán, Schmidt (Daniel Bruhl), saboteó intencionalmente el colisionador. El científico irlandés Mundy (Chris O’Dowd) es absorbido parcialmente por una pared y su brazo desaparece… luego reaparece, separado, con mente propia. Una mujer llamada Jensen (Elizabeth Debicki) aparece de repente en la pared, los cables de alimentación atraviesan su cuerpo; ella dice ser miembro de la tripulación. Todos deciden que disparar el acelerador debe haberlos llevado a una dimensión alternativa.
Mientras tanto, en la Tierra, el esposo de Hamilton, Michael (Roger Davies), encuentra su ciudad reducida a escombros por una serie de explosiones. Algo masivo ha atacado, vislumbrado solo como una sombra moviéndose a través de una nube de humo. Michael rescata a una niña (Clover Nee) de una casa arrasada y la lleva a un búnker de emergencia para esperar a que pase la catástrofe.