У часи існування прадавньої держави Атлантиди стається катастрофа. На континент насувається величезна хвиля, атланти рятуються під силовим куполом, серед них і мала принцеса Кіда. Купол з нечисленними вцілілими під ним опускається під землю.
Молодий американський учений Майло Тетч у 1914 році працює в котельні, але мріє довести існування Атлантиди. Він вірить, що атланти мали розвинені технології та населяли цілий континент, який потонув біля Ісландії. Тетч тренується виголошувати доповідь, але, захопившись, пропускає зустріч з ученими, і без того налаштованими скептично. Академіки тільки насміхаються з нього, сумний Тетч приходить додому, де його чекає загадкова жінка Хельга. Вона відвозить Майло до дивакуватого містера Вітмора, друга тетчевого дідуся. Вітмор передає молодому вченому «Записник пастуха» — знайдену кілька років тому книгу, в якій описано шлях до Атлантиди. Згідно з парі, він мусив профінансувати експедицію для пошуків континенту, якщо книга буде знайдена. Хоча дідусь помер, Вітмор дотримується слова, взявши в експедицію його онука як спеціаліста з давніх мов.
Команда шукачів під проводом капітана Тиберія спускається на дно океану в субмарині. Тетч визначає, що Атлантида міститься в печері, у згаслому вулкані, вхід куди охороняє чудовисько Левіафан. Субмарина натрапляє на кладовище затонулих кораблів, де її атакує те саме чудовисько. Майло розуміє, що Левіафан — це машина. Променева зброя страховиська знищує субмарину, проте частина команди рятується на малих підводних човнах і опиняється в печері.
Майло, звіряючись із книгою, веде експедицію вглиб печери між руїнами зниклої цивілізації. Тим часом за ними потай стежать атланти. Мандрівники зупиняються на ночівлю, балакаючи з ними, Тетч бачить, що всі в команді вирушили в подорож задля грошей. Коли всі лягають спати, в таборі стається пожежа. Майло відстає від решти і його знаходять атланти. Прибуття решти команди лякає їх, Тетч біжить навздогін і виявляє прохід до підземної порожнини, освітленої флюоресценцією. Завдяки знанням мов Тетча вдається заговорити з місцевими жителями, котрі запрошують їх до столиці.
Доросла Кіда приводить прибулих до царя, сподіваючись, що ті допоможуть Атлантиді. Проте цар, побачивши в них зброю, повеліває вирушати назад. Капітан Тиберій переконує його дати дозвіл переночувати, насправді ж сподівається знайти щось цінне та вкрасти його. Кінда з Тетчем розповідають одне одному про свої світи. Виявляється, лише Майло розуміє прадавню атлантійську мову, якою написано вказівки до можливого способу повернути Атлантиді велич. Кіда показує летючий байк, який Тетч допомагає ввімкнути, але транспорт розбивається. Принцеса показує йому різні куточки Атлантиди, обоє відвідують затоплену печеру, в якій описано минуле. Фрески зображають Серце Атлантиди — загублене джерело енергії у вигляді кристала. В «Записнику пастуха» сторінка про Серце відсутня, проте виявляється в Тиберія. Капітан хоче викрасти кристал. Тетч виступає проти, позаяк ця річ підтримує життя в Атлантиді. Озброївши команду, капітан захоплює царський палац і примушує вченого шукати кристал.
Експедиція захоплює Кіду та знаходить таємний хід до Серця Атлантиди, що висить над затопленим проваллям. Принцеса підпадає під вплив кристала, що наділяє її силою ходити по воді. Серце Атлантиди концентрує всю свою енергію в Кіді. Тиберій схоплює її, замкнувши в залізному контейнері. Майло дорікає команді за те, що вони стануть багатими ціною загибелі цілої цивілізації. Один за одним члени експедиції відвертаються від капітана. Тиберій покидає їх, підірвавши за собою міст. Природа Атлантиди починає швидко занепадати. Цар Атлантиди розповідає як у давнину використав кристал як зброю, та не зміг його контролювати і це потопило континент. Тому він боявся відкривати підданим, що джерело життя вціліло, боячись повторення катаклізму. Він просить Майло повернути Кіду, після чого помирає.
Тетч показує атлантам як підняти в повітря їхні летючі байки. Осідлавши апарати, він з командою та атлантами наздоганяє Тиберія. Капітан пробиває ракетою склепіння печери та піднімається до виходу на зазделегідь взятому дирижаблі. Майло сходиться з ним у двобої. Поранений осколком кристала, Тиберій наповнюється його енергією та гине, що спричиняє падіння дирижабля. Від удару прокидається вулкан, загрожуючи залити лавою Атлантиду. Тетч визволяє Кіду й повертає її до столиці. Енергія Серця живить роботів-охоронців, які захищають столицю від лави. Кристал повертає життя Атлантиді, а Кіда стає її правителькою.
Майло вирішує лишитися в Атлантиді. Його товариші отримують від атлантів скарби й літак, щоб повернутися на поверхню. Вітмор домовляється з ними нічого не розповідати про їхні справжні пригоди. Майло та Кіда стають парою в Атлантиді, яка знову процвітає.