Maailman johtavat tiedemiehet katoavat kuin tuhka tuuleen. The Gotham City Chroniclen toimittaja Polly Perkins (Paltrow) alkaa tutkia mysteeriä lentäjä-ässä Joe "Sky Captain" Sullivanin (Jude Law) kanssa. Yhdessä he joutuvat vauhdikkaisiin seikkailuihin maapallon eri kolkissa, etsiessään mystistä tohtori Totenkopfia, joka hullun tiedemiehen elkeillään uhkaa koko maapallon tulevaisuutta. Hyvien joukossa pahaa vastaan seisovat myös sotilaskapteeni Franky Cook (Angelina Jolie) sekä Dex Dearborn (Giovanni Ribisi). — Elokuva on kuvattu virtuaalilavasteissa ja visuaalinen tyyli ammentaa retrohenkisen ulkonäkönsä 1940- ja 50-luvun Hollywoodin tieteiselokuvista.