Pada tahun 1914 di Washington, D.C., Milo Thatch, seorang ahli bahasa kuno, terobsesi menemukan kota legendaris Atlantis yang diyakini tenggelam ribuan tahun lalu. Teorinya sering ditertawakan, hingga ia mendapat dukungan dari miliuner eksentrik Preston B. Whitmore, sahabat kakeknya yang juga pernah mencari Atlantis.

Whitmore merekrut Milo untuk memimpin ekspedisi setelah menemukan Shepherd’s Journal, manuskrip kuno berisi petunjuk menuju kota tersebut. Di dalam kapal selam Ulysses, Milo bertemu tim ekspedisi yang dipimpin Lyle Tiberius Rourke, bersama Helga Sinclair dan anggota lain dengan berbagai keahlian.

Namun, perjalanan mereka berubah jadi bencana saat kapal diserang makhluk mekanis raksasa, menghancurkan Ulysses dan menewaskan sebagian besar kru. Milo dan para penyintas melanjutkan perjalanan melalui gua hingga mencapai reruntuhan kuno.

Dengan bantuan jurnal tersebut, Milo memandu tim melewati lorong bawah tanah hingga akhirnya menemukan sisa-sisa kota Atlantis. Di sana, mereka disambut oleh putri Kidagakash 'Kida' Nedakh yang berusia ribuan tahun namun tampak muda.

Ia membawa Milo bertemu ayahnya, King Kashekim Nedakh, yang memerintahkan mereka pergi. Mengetahui Milo mampu membaca bahasa Atlantis yang telah lama dilupakan, Kida memintanya membantu mengungkap sejarah dan teknologi kuno mereka.

Milo kemudian menemukan bahwa kota itu ditenagai oleh kristal raksasa bernama Heart of Atlantis, yang memberi umur panjang dan kekuatan bagi penduduknya melalui kristal-kristal kecil yang mereka bawa.