Los científicos más famosos y reconocidos de todo el mundo están desapareciendo misteriosamente, tal vez víctimas de robots que asaltan las calles, destrozan las ciudades y derriban vehículos y edificios a su paso. Todo esto con una increíble agilidad y rapidez.

Polly Perkins (Gwyneth Paltrow), una reportera del diario "Chronicle" decide investigar la situación y para ello busca ayuda en su antiguo novio H. Joseph Sullivan (Jude Law), un temerario y astuto piloto, mejor conocido como "Sky Captain". Ambos se embarcarán en la búsqueda de estos robots asesinos y del doctor Totenkopf (Laurence Olivier) un científico con complejo de ermitaño a quien se le responsabiliza por los secuestros de sus colegas.

Polly y Sky, contarán con la ayuda y asesoría del experto y genio de la tecnología Dex (Giovanni Ribisi) y de la hermosa y astuta Franky (Angelina Jolie), capitana del escuadrón anfibio femenino. Juntos, se convertirán en la única esperanza de la raza humana.