New York dans les années 30. Lorsque des scientifiques de renommée commencent à disparaître et que Manhattan est attaqué par des machines volantes et de gigantesques robots, la reporter Polly Perkins (Gwyneth Paltrow) décide d’enquêter. Elle est aidée par l’héroïque pilote Sky Captain (Jude Law). Ils découvrent que la personne qui est derrière ce complot est le Dr. Totenkopf. Son but est la destruction du monde. Aidé par le commandante Franky Cook (Angelina Jolie) et le génie en technologie Dex (Giovanni Ribisi) Sky Captain et Polly sont le dernier espoir pour sauver notre planète.