1939년 뉴욕, 전세계적으로 저명한 과학자들이 사라지는 미스터리한 사건이 발생한다. 그리고 뉴욕은 순식간에 정체불명 로봇들의 습격으로 아수라장이 되고, 이 두 사건에 뭔가 심상치 않은 일들이 벌어지고 있음을 직감한 신문기자 폴리 퍼킨스(기네스 팰트로)는 그녀의 옛 연인이자 최고의 파일럿 스카이 캡틴(주드 로)을 찾아간다. 과학자 실종 사건의 마지막 희생자인 제닝스 박사가 사라지기 전 폴리에게 남긴 두 개의 튜브와 '토튼코프'란 의문의 이름을 단서로 이 모든 혼란의 배후에 토튼코프 박사가 있음을 밝혀낸다. 사건의 실마리를 찾아 네팔로 떠난 스카이 캡틴과 폴리는 박사의 음모로 인해 위험에 빠지게 되지만, 절대절명의 순간 캡틴의 오랜 친구인 최고의 해군장교 프랭키 쿡(안젤리나 졸리)의 도움으로 가까스레 위험에서 빠져 나온다. 스카이 캡틴의 오른팔인 천재 기계공학자 덱스(지오바니 리비시)와 프랭키(안젤리나 졸리)가 새로운 조력자로 합류하면서 박사의 검은 음모를 저지하기 위한 이들의 목숨 건 모험은 새로운 국면을 맞이 하는데.... 과연 스카이 캡틴 군단은 토튼코픈 박사의 음모에 맞서 지구의 미래를 구할 수 있을까?