Den gale vitenskapsmannen Dr. Totenkopf og hans forskrudde planer truer nå hele menneskeheten. Ved hjelp av reporteren Polly Perkins (Gwyneth Paltrow) og sin trofaste spitfire, må Sky Captain (Jude Law) igjen på vingene og kjempe i luft, ild og vann for å gjenopprette verdensordenen. Da alt ser svart ut får våre to helter dessuten støtte fra Sky Captains eks-kjæreste, nemlig Franky Cook (Angelina Jolie) og det tekniske geniet Dex (Giovanni Ribisi). Deres vanvittige kamp mot den onde Totenkopf og hans fremrusende roboter utspiller seg i New York anno 1939.