La película empieza en los cielos de la ciudad de Nueva York, cuando el descomunal dirigible Hindenburg III atraca en lo más alto del Empire State Building, el puerto de escala más alto del mundo. Nubes de tormenta rugen en el cielo y una espesa capa de nieve cubre la ciudad. De pronto, una inquietante noticia irrumpe en la pantalla: científicos famosos de todo el mundo están desapareciendo misteriosamente. Cuando unos mortales y gargantuescos robots asaltan las calles de la ciudad, destrozando vehículos y derribando edificios a su paso, la reportera del Chronicle Polly Perkins (Gwyneth Paltrow) emprende la investigación de los sucesos con la ayuda de su antiguo amor, el diestro y temerario as de la aviación H. Joseph Sullivan (Jude Law), más conocido como Sky Captain.

Viajando hasta el Himalaya, donde quedan atrapados en una enorme caverna de hielo atestada de explosivos, hasta el idílico valle de Shangri-la, Polly y Sky Captain se enfrentan a temibles robots voladores, efectúan un increíble aterrizaje sobre una pista de aterrizaje móvil que flota a miles de pies de altura y entablan un asombroso combate acuático en su búsqueda del malvado Dr. Totenkopf, que planea la destrucción del mundo.

¿Conseguirán estos dos indómitos aventureros encontrar a tiempo al escurridizo Totenkopf? Ayudados por la valerosa capitana de un escuadrón anfibio femenino, Franky Cook (Angelina Jolie) y el mago de la tecnología Dex (Giovanni Ribisi), Polly Perkins y Sky Captain pueden ser la única esperanza que le queda a nuestro planeta.