Maailman huipputason tiedemiehet katoavat mystisesti, ja Gotham City Chroniclen toimittaja Polly Perkins (Paltrow) päättää selvittää tämän arvoituksen yhdessä rohkean lentäjän Sky Captainin (Law) kanssa. Yhdessä he lähtevät henkeäsalpaaville seikkailuille ympäri maailmaa, yrittäen pysäyttää Dr. Totenkopfia, jonka häijyt suunnitelmat uhkaavat koko ihmiskunnan olemassaoloa.
Apuna heillä on peloton lentueen kapteeni Franky (Jolie) sekä kekseliäs teknikko Dex (Ribisi), jotka yhdessä taistelevat pelastaakseen maailman.
