New York, 1939: un dirigibile atterra sull'Empire State Building, strane macchine volanti invadono i cieli e giganteschi robot seminano il panico sulla Quinta Strada. La giornalista Polly Perkins viene incaricata dal "Chronicle" di seguire le indagini sul caso. La aiuta una sua vecchia fiamma: lo spericolato capitano dell'aviazione Joseph Sullivan, meglio noto con il soprannome di "Sky Captain". I due intraprendono un avventuroso viaggio in giro per il mondo per scoprire il mistero degli inaspettati accadimenti...