西恩·安德森（喬許·哈卻森飾）潛入衛星基地接收微弱的廣播訊號，試圖逃脫時遭警方逮捕。繼父漢克·帕森斯（巨石強森飾）陪同下帶回家，兩人關係不甚融洽。西恩嘗試解開神秘廣播所傳達的不連貫字詞，漢克欲拉近與西恩的距離一起解開了密碼，揭露了《金銀島》、《格列佛遊記》和儒勒·凡爾納的《神秘島》三本書中所述說皆為同一島嶼。漢克將撕下三本書的地圖合而為一，顯現出完整的神秘島和座標。西恩相信訊息是失蹤多年的爺爺傳送給他，且找到了神秘島，位於帛琉附近的海域。西恩準備前往，漢克為說服他神秘島並不存在，於是答應陪同與去。
一抵達帛琉，無人願意載他們到危險海域。無財不賺的哥布多（路易·古茲曼飾）耳聞，不顧女兒凱蘭妮（凡妮莎·哈金斯飾）反對，即答應用他的私人直升機出發，西恩對凱蘭妮亦一見鍾情。同行四人搭載直升機起飛不久，遭遇到猛烈的龍捲風暴，直升機不堪摧毀而解體眾人墜機。
醒來後，發現身處於無人的陌生海灘，眾人往洞穴爬出口而知，他們抵達了神秘島。島嶼上，熟知的大型動物都縮小，反之亦然，昆蟲都變得超巨大，激發了《格列佛遊記》的靈感。旅程中，意外踩破了巨型蜥蜴的蛋，觸怒了母蜥蜴，在叢林裏展開了追逐戰。千鈞一乏之際，西恩失聯已久的爺爺亞歷山大（米高·肯恩飾）出場救了大家。爺爺帶大家回到叢林小屋過夜，漢克和西恩的爺爺互不對盤，但求救電話的無線電信號只能兩個星期發送一次，於是決定留在小屋。
隔日，爺爺帶領眾人來到失落之地亞特蘭提斯的遺址，埋藏在叢林深處。神秘島原來受火山地殼激烈變動影響，每一百四十年會周期性的陸沉與上升，距下一段周期開始還有多年時間。漢克注意到島嶼正加劇發生土壤液化的現象，證實結論是錯誤的，而島嶼在數天內將完全沉沒。眾人開始展開逃出島嶼的旅程，找到《海底兩萬里》裡尼莫船長的墳墓，記載著潛艇鸚鵡螺號的所在地，能順利逃出的唯一希望。前往尋找鸚鵡螺號途中，遭遇許多危險的重重阻礙，眾人搭載巨型蜜蜂穿越山嶺，遭到巨大蜂鳥的襲擊，西恩為救摔下的凱蘭妮不小心弄傷腿，而短暫休憩。
早晨眾人醒來，海平面上升比預期的快，而哥布多脫隊失蹤。哥布多為籌女兒學費，獨自返回錯失的金火山，抑是《金銀島》的金山所在。於是分成兩路，西恩和漢克繼續往鸚鵡螺號前進，爺爺和凱蘭妮去尋找她的爸爸哥布多。西恩兩人抵達潛艇入口，但已被快速上升的海水淹沒，僅能潛下水面找尋。使用簡單的潛水設備，找到鸚鵡螺號之餘，還要避開火力十足的電鰻攻擊。凱蘭妮找到爸爸並說服他一起離開，三人達到所在地，但此刻陸沉快速至無處可立。潛艇久為啟動電池早已耗損，漢克挺身至外用魚叉射向電鰻截取電力，成功重新啟動鸚鵡螺號，順利逃出。
六個月後，哥布多藉由鸚鵡螺號成為帛琉當地的導遊指標，也有足夠資金讓女兒凱蘭妮到美國上大學，順道就近和西恩交往。西恩生日當天，爺爺給西恩另一本凡爾納小說《從地球到月球》作為禮物，計畫為下一段旅程展開序幕。

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