Una misteriosa explosión envía un tsunami hacia la ciudad de Atlantis. Durante la evacuación, la Reina de Atlantis es elevada a un extraño cristal flotante, dejando atrás a su angustiada hija, Kida. El cristal se funde con la Reina y crea una cúpula que preserva el distrito más interior de la ciudad, y Atlantis se hunde bajo las olas.

Casi 8.000 años después, en 1914, Milo Thatch -un lingüista marginado del Instituto Smithsoniano- descubre la existencia del Diario del Pastor, un manuscrito que contiene indicaciones para llegar a la Atlántida. Después de que la propuesta de Milo de buscar el Diario sea rechazada por la junta del museo, una misteriosa mujer, Helga Sinclair, presenta a Milo a Preston B. Whitmore, un excéntrico millonario. Whitmore ya ha financiado un esfuerzo exitoso para recuperar el Diario como pago de una deuda con el difunto abuelo de Milo y recluta a Milo para descifrar el diario y unirse a una expedición a la Atlántida.

La expedición está encabezada por el comandante Rourke, que también dirigió la expedición de recuperación del Diario. La tripulación incluye a Helga; Vinny, un experto en demoliciones; Molière, un geólogo; el Dr. Sweet, un oficial médico; Audrey, una mecánica; la Sra. Packard, una operadora de radio; Cookie, un cocinero de carros de comida; y docenas de soldados entrenados. Parten en el enorme submarino "Ulysses", pero son atacados por un leviatán mecánico que vigila la entrada de Atlantis. El "Ulysses" es destruido, dejando sólo un puñado de supervivientes. Siguiendo las instrucciones del Diario, entran en una caverna y viajan a través de un volcán inactivo. El grupo se deja caer en un agujero mientras huye de un incendio en el campamento, llegando finalmente a Atlantis, donde se encuentran con Kida, milagrosamente viva y joven. Ella y los demás atlantes han olvidado su lengua escrita, y la sociedad ha languidecido, pero pueden entender el inglés debido a que el atlante hablado es la base de muchas lenguas modernas.

En contra de los deseos de su padre, Kida recluta a Milo para que ayude a Atlantis a recuperar su antigua gloria, y le lleva a un mural submarino en la parte hundida de la ciudad. Milo se entera por el mural de que el "Corazón de Atlantis" proporciona a la gente de allí longevidad, y que una vez alimentó sus dispositivos, a través de pequeños cristales que todos llevan. Descubre que falta una página del Diario, que también contenía esta información. Al volver a la superficie, se enfrenta a Rourke, que le revela que tiene la página que falta, y le revela que está planeando robar el Corazón y venderlo a un alto precio, sin importarle el destino de los atlantes. Él y la tripulación capturan a Milo y Kida, y Rourke hiere mortalmente al Rey de Atlantis exigiendo saber dónde está el Corazón. Sin embargo, finalmente lo encuentra por sí mismo bajo el palacio. El cristal gigante, sintiendo una amenaza, se fusiona con Kida, y Rourke la mete en una caja, con la intención de venderla en la superficie. Milo felicita sarcásticamente a sus amigos, lo que les hace recapacitar, sabiendo que no quieren ser responsables de la muerte de inocentes. Rourke, Helga y los soldados dejan atrás al resto y parten hacia la superficie, poniendo en peligro a Atlantis y a los ciudadanos. El Rey moribundo le da a Milo su propio cristal y le explica que intentó convertir el Corazón en un arma, causando la pasada explosión y el destino de su esposa. También explica que el cristal debe tener un anfitrión real cuando la ciudad está en peligro y le ruega a Milo que salve a Atlantis y a Kida.

Milo y sus amigos reúnen a los atlantes para reactivar su maquinaria y perseguir y atacar a los mercenarios. Rourke y Helga tienen una discusión durante la batalla y él la arroja al volcán inactivo. Al morir, ella dispara a la aeronave que contiene la caja de Kida. Milo y Rourke luchan en la aeronave en llamas sobre el Corazón, y Milo acuchilla a Rourke con un fragmento de cristal cargado, convirtiendo a Rourke en una estatua de cristal viviente que es destrozada por las hélices de la aeronave. La aeronave en llamas se estrella y despierta el volcán. Milo y el resto huyen de vuelta a Atlantis con Kida, que, aún fusionada con el cristal, se eleva al cielo y despierta a los antiguos Guardianes de Piedra, que levantan la parte inundada de Atlantis en la cúpula y protegen a toda la ciudad del flujo de lava. El Cristal devuelve entonces a Kida, vivo, a Milo.

Milo decide quedarse en Atlantis con Kida, de la que se ha enamorado, y el resto regresa a la superficie, prometiendo mantener sus aventuras en secreto para preservar la seguridad de Atlantis. Sólo Whitmore se entera de la verdad, gracias a las fotografías tomadas por la señora Packard y a un cristal atlante que le envía Milo.