La cuarta aventura de Indiana Jones empieza en el desierto del suroeste Estados Unidos en 1957, en plena Guerra Fría. Indy y su amigo Mac (Ray Winstone) acabar de escapar por los pelos de las garras de unos infames agentes soviéticos en un remoto aeropuerto.

El profesor Jones regresa a casa y se entera de que las cosas van de mal en peor. Su mejor amigo, el decano de la Universidad (Jim Broadbent), le dice que muchos sospechan de las últimas actuaciones de Indy y que el gobierno presiona a la Universidad para que le despidan. Indiana, a punto de irse, conoce a un joven rebelde llamado Mutt (Shia LaBeouf), que le propone un trato. Si el arqueólogo le ayuda a resolver un problema personal, podría hacer uno de los descubrimientos más espectaculares de la historia; se trata de la Calavera de Cristal de Akator, un objeto legendario que despierta la fascinación, la superstición y el miedo.

Indy y Mutt viajan al rincón más perdido de Perú, tierra de antiguas tumbas, exploradores olvidados y rumores de una ciudad de oro. Pero no tardan en descubrir que no están solos; los agentes soviéticos también quieren apoderarse de la Calavera de Cristal. Los miembros de una unidad militar de élite, dirigidos por la fría, calculadora y letalmente bella Irina Spalko (Cate Blanchett), quieren apoderarse de la Calavera, convencidos de que ayudará a los soviéticos a dominar el mundo... si consiguen descifrar su secreto.

Indy y Mutt deberán despistar a los despiadados soviéticos, seguir la pista de un misterio insondable, sortear a enemigos y amigos dudosos y, sobre todo, impedir que la Calavera de Cristal caiga en las manos equivocadas.