Milo Thatch travaille comme modeste employé au Museum d'histoire naturelle de Washington. Le jeune homme caresse le rêve d'un jour retrouver l'Atlantide, cette civilisation enfouie sous les eaux depuis des milliers d'années. Un vieux millionnaire, Preston B Whitmore, finance un voyage de recherche et offre à Milo une place de choix dans l'équipage, lui confiant un manuscrit indiquant la route de l'Atlantide. Le sous-marin, commandé par le capitaine Rourke, atteint son objectif en quelques jours. Le pays continue de survivre, en dépit de la catastrophe, grâce au rayonnement d'un cristal magique. Mais la cité se meurt, et la princesse Kira voit dans l'arrivée des étrangers la possibilité de régénérer son peuple...