在霓虹灯无法穿透的灰暗雨夜，一座名为“云栖”的老旧筒子楼矗立在城市边缘。这里住着形形色色的边缘人，而故事的核心，是一头并不存在的“大象”。
林默是一名失意的过气编剧，为了逃避债主的追杀，他租下了这栋楼里最阴森的顶层房间。房东是一位神神叨叨的老太太，总说这栋楼里住着一头“顶楼大象”，只有最孤独的人才能看见。起初，林默只当这是疯话，直到那个暴雨如注的夜晚，他透过积满灰尘的窗户，看见了一头由无数废弃电视机屏幕拼凑而成的巨象，正缓缓从屋顶降临，它的每一步都让整栋楼发出令人牙酸的吱呀声，仿佛要压垮这摇摇欲坠的生存尊严。
林默以为这是自己精神崩溃的幻觉，却意外发现楼里的邻居们似乎都对此心知肚明。住在楼下的哑巴修车工阿强，每晚都会对着屋顶摆弄一辆破旧的自行车，仿佛在搭建通往大象的阶梯；住在隔壁的过气女歌手苏青，则整夜对着镜子练习无声的歌唱，据说她的歌声能安抚那头巨兽的躁动。原来，这头“顶楼大象”并非怪物，而是这座城市被遗忘的集体记忆与绝望的具象化。它承载着所有人的谎言、未完成的梦想以及无法言说的痛苦。
随着林默的调查深入，他逐渐拼凑出大象的真相：这栋楼即将被拆迁，开发商早已买下了这片土地，但居民们拒绝搬离。大象是集体潜意识的投影，它在等待一个“见证者”来确认他们的存在。当林默试图用摄像机记录下这一切时，镜头却只拍到了空荡荡的屋顶，只有他在眼中那庞大而悲伤的身影。
高潮在一个雷雨交加的夜晚爆发。开发商的推土机开到了楼下，巨大的轰鸣声惊醒了沉睡的“顶楼大象”。它开始躁动，电视屏幕组成的身躯闪烁着刺眼的光，仿佛要吞噬一切。林默冲上屋顶，试图阻止这场灾难，却被阿强和苏青拦住。阿强递给他一把生锈的钥匙，苏青则轻轻哼起那首未完成的歌。原来，他们需要的不是驱赶大象，而是接纳它。
林默终于明白，大象不是来毁灭的，它是来告别的。他举起摄像机，不再记录光影，而是记录人心。他将镜头对准了那些在雨中颤抖却眼神坚定的邻居，对准了阿强粗糙的双手和苏青含泪的双眼。当大象缓缓低下头，将巨大的象鼻轻轻搭在林默的肩膀上时，一种奇异的宁静降临了。推土机的轰鸣声戛然而止，仿佛连时间都为之凝固。
第二天清晨，雨过天晴。那栋破旧的筒子楼依旧矗立，但“顶楼大象”消失了。林默坐在屋顶，手中拿着那盘从未被播放过的录像带，上面只有黑屏和无声的喘息。他站起身，看着楼下正在搬运行李的邻居们，虽然房子保住了，但大家似乎都失去了某种东西，又似乎得到了某种解脱。他意识到，大象从未存在过，它只是每个人心中那头不敢面对的巨兽，而一旦正视，它便化作了推动生活的力量。
影片的最后，林默将录像带扔进楼下的垃圾桶，转身融入熙攘的街道。阳光洒在他身上，拉出一道长长的影子，仿佛那头大象从未离去，只是换了一种方式，继续守护着这座城市里每一个孤独的灵魂。
