Famosos científicos de todo el mundo están desapareciendo misteriosamente, y la reportera del Chronicle, Polly Perkins (Gwyneth Paltrow) y el hábil aviador Sky Captain (Jude Law) lo están investigando. Arriesgando sus vidas viajan a lugares exóticos, pero, ¿podrá este dúo detener al Dr. Totenkopf, el malvado personaje que está detrás de este plan para destruir la tierra? Ayudados por Franky Cook (Angelina Jolie), comandante de un escuadrón femenino, y un genio de la tecnología llamado Dex (Giovanni Ribisi), Polly y Sky Captain parecen ser la única esperanza del planeta.