Milo James Thatch, un cartographe et linguiste spécialiste en dialectes anciens, travaille sans relâche au sous-sol d'un musée. Comme jadis son grand-père explorateur, il souhaite découvrir l'Atlantide, la légendaire cité perdue.
Il reçoit alors la visite de Preston B. Whitmore, un millionnaire excentrique. Ce dernier a en sa possession un mystérieux manuscrit révélant l'emplacement de l'Atlantide et que seul Milo peut déchiffrer. Grâce au financement de Whitmore, celui-ci embarque dans un immense sous-marin et se joint à  une équipe d'audacieux explorateurs avec à  son commandement le Capitaine Rourke. L'expédition sous-marine s'annonce fructueuse grâce aux indications fournies par le manuscrit. Ce qu'ils découvriront changera leur existence pour toujours.