Dr. Rick Marshall, ilmuwan eksentrik sekaligus pencetus teori 'quantum paleontology', kini hanya bekerja di level rendah di La Brea Tar Pits. Kariernya hancur tiga tahun sebelumnya setelah wawancara kacau dengan Matt Lauer di acara Today viral dan jadi bahan ejekan publik.

Harapan baru datang saat Holly Cantrell, mahasiswa doktoral dari Cambridge, mengaku terinspirasi oleh teori kontroversial Marshall yang menggabungkan perjalanan waktu dan paleontologi. Holly menunjukkan fosil aneh dengan jejak korek api yang ternyata milik Marshall, serta sebuah kristal berbentuk kalung yang memancarkan energi tachyon kuat.

Holly pun meyakinkan Marshall untuk menyelesaikan alat bernama tachyon amplifier dan melakukan ekspedisi ke Devil's Canyon Mystery Cave, sebuah taman hiburan tempat fosil itu ditemukan. Bersama pemilik taman, Will Stanton, mereka menyusuri gua menggunakan perahu karet kecil.

Saat Marshall mendeteksi lonjakan energi tachyon dan mengaktifkan alatnya, tiba-tiba terjadi distorsi waktu besar yang membuat mereka terlempar ke dunia lain. Mereka terbangun di gurun aneh yang dipenuhi benda-benda dari berbagai zaman, dan menyadari alat mereka hilang.

Di sana, mereka menyelamatkan manusia purba bernama Chaka yang kemudian menjadi teman sekaligus pemandu mereka. Mereka juga harus bertahan hidup dari kejaran tyrannosaurus dengan kemampuan telepati yang mereka juluki 'Grumpy', yang menyimpan dendam pada Marshall.

Keesokan harinya, Marshall menerima pesan telepati misterius yang membawanya ke reruntuhan kuno. Di sana, mereka bertemu makhluk reptil bernama Sleestak, sebelum akhirnya bertemu Enik dari bangsa Altrusian, pengirim pesan tersebut.

Enik menjelaskan bahwa ia diasingkan oleh Zarn, makhluk jahat yang ingin menguasai Bumi dengan pasukan Sleestak. Satu-satunya cara menghentikannya adalah dengan menemukan kembali tachyon amplifier milik Marshall.