Híres tudósok tűnnek el titokzatos módon, szerte a világon. Hamarosan halálosan félelmetes, óriási robotok jelennek meg s tipornak szét mindent New York utcáin, autókat hajigálva és épületeket zúzva pozdorjává, kisvártatva pedig a Hindenburg III nevű, gigantikus léghajó landol az Empire State Building tetején.
E sorozatos rejtélynek ügyében kezd el nyomozni Polly Perkins (Gwyneth Paltrow), a Chronicle riportere, aki régi szerelmét, a Sky kapitánynak nevezett, bravúros képességű és vakmerő Joseph Sullivant (Jude Law) is megnyeri az ügynek.
Polly és Sky Kapitány útjuk során a Himalája hegyláncai között egy robbanószerekkel behálózott, óriási jégbarlang csapdájába esnek, később Shangri-La csendes és nyugodalmas völgyébe vetődnek, majd rémisztő repülő szerkezetekkel keverednek harcba, utóbb sikeresen landolnak a több ezer méter magasságban lebegő, mozgó léghajóra, és részük van a víz alatti repülés csodálatos élményében is. Céljuk Dr. Totenkopf hollétének felkutatása, mert ez az ördögi elme az értelmi szerzője a világ elpusztítását célzó őrült tervnek.
Veszélyes missziójukban segít nekik egy csak nőkből álló, vízi- és szárazföldi kombinált hadműveletekre kiképzett század és bátor parancsnokuk, Franky Cook (Angelina Jolie), valamint a műszaki zseni Dex (Giovanni Ribisi) is. Lehet, hogy Polly Perkins és Sky Kapitány az egyedüli remény bolygónk számára? Vajon időben megtalálja-e két bátor lélek a ravasz és megfoghatatlan Totenkopfot?