这是一部科幻动作片。在将来的某一天，纽约遭到了不明来历的攻击，天空上尉飞行员约瑟夫•苏立文（裘德洛饰）收到求救信号出手相助，在经过激烈的较量后，纽约迎来了暂时的平静，天空上尉也在这次战斗中偶遇并且救下了身为记者的旧情人波莉(格温妮斯•帕特洛饰)。原来波莉所调查的事件和这次袭击有着千丝万缕的联系，背后有一个巨大的阴谋。为了迎接即将到来的恶战，保卫世界，他们向海军女子特谴队队长弗兰姬•库克(安吉莉娜•朱丽饰)和技术专家戴克斯(吉奥瓦尼•瑞比西饰)寻求了帮助。一场正义与邪恶的较量揭开了序幕……
在技术先进的 1939 年，齐柏林 兴登堡三号停泊在帝国大厦顶上。飞艇上坐着科学家豪尔赫·巴尔加斯 (Jorge Vargas) 博士，他安排将一个包含两个小瓶的包裹运送给沃尔特·詹宁斯 (Walter Jennings) 博士。之后，瓦尔加斯博士消失了。
《纪事报》记者波莉·珀金斯正在调查瓦尔加斯和其他五位著名科学家的失踪事件。一条神秘的信息将她带到了无线电城音乐厅，不顾编辑佩利先生的警告，在放映《绿野仙踪》期间，她遇到了詹宁斯博士。他告诉她托滕科普夫医生接下来会来找他。突然，神秘的巨型机器人袭击了这座城市。当局召唤“天空队长”乔·沙利文，他是这座城市的英雄、帕金斯的前情人、私人空军飞行军团的指挥官。当乔用他改装的柯蒂斯 P-40与机器人交战时帕金斯在街上拍摄追逐战斗机的照片，几乎不顾自己的安全。他最终成功地瘫痪了一个机器人；其余人随后离开。新闻报道显示全球各地都发生了类似的袭击事件。残疾的机器人被带回军团空军基地，以便技术专家德克斯对其进行检查。波莉跟踪并说服乔不情愿地让她参与调查。她的信息将他们带到了垂死的詹宁斯博士被洗劫一空的实验室，而一名刺客却逃脱了。就在他去世前，詹宁斯给了波莉这两瓶，并表示它们对托滕科普夫的计划至关重要。波莉藏起了小瓶，并向乔隐瞒了信息。他们在军团基地遭到扑翼机中队攻击之前返回军团基地无人机。德克斯追踪控制无人机的信号来源，并在被捕前将其记录在地图上。
乔和波莉找到了德克斯的地图，飞往尼泊尔，然后飞往西藏，在那里他们发现了一个废弃的采矿前哨，并见到了乔的老朋友卡吉。为托滕科普夫工作的两名向导强迫波莉翻转小瓶，将两人锁在一个装满炸药的房间里。乔和波莉在房间爆炸前设法逃脱，爆炸使他们失去知觉并毁掉了波莉的大部分电影。他们在神话般的香格里拉一起醒来。那里讲藏语的僧侣讲述了托滕科普夫奴役他们的人民，强迫他们在铀矿工作的故事。大多数人死于辐射，但最后的幸存者提供了托滕科普夫博士藏身之处的线索。由于燃料不足，他们遇到了皇家海军 飞行航空母舰由乔的另一位前情人、指挥官弗兰基·库克指挥。弗兰基带领进攻托滕科普夫的岛屿巢穴，而乔和波莉则通过水下入口进入。乔和波莉发现自己身处一座岛上，岛上有类似恐龙的生物，波莉犹豫着要不要拍摄，因为她只剩下两张照片了。他们在山上发现了一个秘密的地下设施，机器人正在那里将动物以及神秘的小瓶装载到大型“诺亚方舟”火箭上。乔和波莉被发现，但德克斯驾驶一艘飞行驳船带着三名失踪的科学家抵达。他们解释说，托滕科普夫已经放弃了人类，并寻求重新开始世界：“明天的世界”。; 如果火箭到达太空，加力燃烧室将点燃大气层并杀死地球上的所有人。
当一行人试图进入托滕科普夫博士的巢穴时，一名科学家被防御系统触电身亡。托滕科普夫的全息图出现，讲述了他对人类的仇恨以及他将人类重建为新的优等种族的计划。德克斯摧毁了巢穴的防御，小组在里面发现了托滕科普夫的木乃伊尸体，他手里抓着一张纸片：“原谅我”。他已于 20 年前去世，但他的机器仍在继续他的计划。乔决定从内部破坏火箭，而其他人则逃脱。波莉试图跟随，但乔吻了她，然后把她打晕了。波莉康复了，跟随乔并将他从刺杀詹宁斯博士的女性机器人手中救了出来。乔和波莉随后登上了火箭。在火箭到达 100 公里之前，第二级计划点火并烧毁地球，波莉按下紧急按钮，将逃生舱中的所有动物弹出。乔试图禁用火箭，却被同一个刺客机器人打断。他用电动武器震动机器人，然后用它来控制，使火箭失效。火箭爆炸时，乔和波莉使用最后一个吊舱来拯救自己。乔和波莉看着动物群在逃生舱周围溅落，而库克指挥官则率领一群飞行的航空母舰向他们驶来。然后，波莉用相机上的最后一张照片拍摄了乔而不是动物群的照片。乔注意到她忘记取下镜头盖。他用电动武器震动机器人，然后用它来控制，使火箭失效。火箭爆炸时，乔和波莉使用最后一个吊舱来拯救自己。乔和波莉看着动物群在逃生舱周围溅落，而库克指挥官则率领一群飞行的航空母舰向他们驶来。然后，波莉用相机上的最后一张照片拍摄了乔而不是动物群的照片。乔注意到她忘记取下镜头盖。他用电动武器震动机器人，然后用它来控制，使火箭失效。火箭爆炸时，乔和波莉使用最后一个吊舱来拯救自己。乔和波莉看着动物群在逃生舱周围溅落，而库克指挥官则率领一群飞行的航空母舰向他们驶来。然后，波莉用相机上的最后一张照片拍摄了乔而不是动物群的照片。乔注意到她忘记取下镜头盖。