Op 10 maart 1928 verdwijnt het negenjarige jongetje Walter uit zijn huis in de wijk Lincoln Heights van Los Angeles. Zijn alleenstaande moeder Christine Collins was aan het werk als chef in een telefooncentrale. Ze doet na haar ontdekking bij thuiskomst meteen aangifte bij de politie, maar deze wil nog niet komen omdat er nog geen 24 uur voorbij zijn. De agent aan de telefoon vermoedt dat het jongetje ’s morgens wel weer zal opduiken.
Vijf maanden lang blijft Walter zoek, waarbij de bevolking onder aanvoering van predikant Gustav Briegleb schande van de politie spreekt. Dan bezorgt de politie Collins een gevonden jongetje , maar zij beweert dat het haar zoon niet is. Het jongetje claimt niettemin wel degelijk Walter te zijn. Politiekapitein J.J. Jones zegt dat de moeder in de war is en zet haar onder druk om de jongen op proef te accepteren. Hij laat Collins met haar ’teruggevonden zoon’ poseren voor een krantenfoto bij een verhaal over het goede werk van de politie. Thuisgekomen blijkt het jongetje zeven centimeter kleiner dan Walter was toen hij verdween, hij is minder beleefd, besneden, kent zijn lerares Mrs. Fox niet, weet niet wat zijn plaats is in de klas en heeft een ander gebit. De tandarts stelt vast dat hij een spleetje tussen zijn tanden mist dat de echte Walter wel heeft en dat dit niet onopspoorbaar verdwenen kan zijn. De politie wil niets van Collins’ bewijzen weten en beschouwt de verdwijning als opgelost. Zij is radeloos omdat de zoektocht naar haar echte zoon daarmee ophoudt.
De moeder volhardt en wordt geholpen door de presbyteriaanse Briegleb van St. Paul Church. Hij probeert al tijden aan het licht te brengen dat de politie alleen maar bezig is met haar eigen imago en totaal niet met haar verplichtingen aan de burgers die zij moet beschermen. De priester probeert met kerkdiensten en radioshows de burgers wakker te schudden dat de manier van ordehandhaving in de stad niet langer getolereerd kan worden. De moeder wordt nadat ze haar verhaal aan een krant vertelt als lastig ervaren en op bevel van Jones opgesloten in een psychiatrische instelling. Ze kan alleen bewijzen ‘genezen’ te zijn door een verklaring te ondertekenen dat de gevonden jongen wel degelijk haar zoon is, zij in de war was en de politie gelijk heeft. Ze weigert dit pertinent. In dit huis vindt ze sympathie bij medepatiënte Carol Dexter (Amy Ryan). Dexter vertelt dat nagenoeg iedereen in de kliniek er opgesloten zit voor zaken waarbij de politie in een kwaad daglicht wordt gezet. Zo werd zijzelf opgesloten door een gebeurtenis tijdens haar werk als prostituee. Een klant sloeg haar, waarna zij aangifte tegen hem deed. Maar de dader bleek een politieman waardoor Dexter uit beeld diende te verdwijnen.
Op het punt dat Collins onder protest van de bevolking vrijgelaten dreigt te worden, pakt inspecteur Lester Ybarra (Michael Kelly) tiener Sanford Clark op. De jongen is Canadees en verblijft illegaal in de Verenigde Staten, zodat hij uitgezet dient te worden. Clark wordt echter geplaagd door zijn ervaringen op de Amerikaanse boerderij waar Ybarra hem vond en vertelt de inspecteur hierover. Hij zegt gedwongen te zijn op de boerderij te blijven door eigenaar Gordon Northcott (Jason Butler Harner). Die heeft twintig kinderen ontvoerd en daar vermoord. Hij zou hierbij soms het werk hebben moeten afmaken en de lijken hebben moeten begraven. Omdat hij niet in de hel wil komen, biecht hij alles op. De jongen vertelt ook dat er een aantal kinderen ontsnapt is. Als hij een aantal foto’s van vermiste kinderen te zien krijgt, zegt hij dat Walter Collins een van de ontvoerde jongens was. Als de politie samen met Clark gaat kijken op de plek waar de kinderlijken begraven zouden zijn, worden hun stoffelijke overschotten daadwerkelijk gevonden.
Northcott wordt door toedoen van de zich pro bono aan Collins aanbiedende advocaat S.S. Hahn veroordeeld tot twee jaar isoleercel en daarna ophanging. Hij wil niet zeggen of hij Walter vermoord heeft. Ook als hij vlak voor zijn doodsvonnis de moeder uitnodigt om alles te vertellen, zwijgt hij als deze hem bezoekt.
Een aantal jaren later wordt een van de ontvoerde jongens heelhuids teruggevonden. Hij vertelt dat hij samen met twee anderen is ontsnapt, waarbij Walter hem geholpen heeft weg te komen toen hij vastzat in het hek. De jongen zegt dat Walter bij de ontsnappers hoorde, maar dat ze betrapt werden door Northcott. Die stapte in zijn auto en zette bewapend met een geweer de achtervolging in. De jongen zegt dat hij Walter nooit meer heeft gezien na die keer en weet niet of hij en de derde ontsnapper opnieuw gepakt werden of ook ontkwamen. Collins blijft jarenlang op zoek gaan naar haar zoon, zonder resultaat.
De film begint met een proloog waarin de protagonist, Jim Hawkins, nog een kind van een jaar of drie is. Zijn moeder vertelt hem elke avond verhalen over de legendarische piraat Kapitein Flint, wiens (vliegend)schip altijd vanuit het niets leek op te duiken en andere schepen beroofde. Zijn buit zou verstopt zijn op de legendarische “piratenplaneet”. Vervolgens verplaatst het verhaal zich 12 jaar in de toekomst. Jim is inmiddels een tiener die graag pleziertochtjes maakt met “solar surfboarding” (een vorm van surfen met een door zonne-energie aangedreven futuristische surfplank). Zijn hobby brengt hem geregeld in de problemen.
Op een dag stort er een schip neer vlakbij de herberg van Jims moeder. De stervende piloot, Billy Bones, geeft Jim een vreemde bol en waarschuwt hem uit te kijken voor “de cyborg”. Kort hierna wordt de herberg aangevallen door een groep piraten. Jim, zijn moeder en hun vriend Dr. Delbert Doppler kunnen maar net ontkomen. Doppler onderzoekt de bol, en het ding blijkt een projector te zijn die een gedetailleerde holografische kaart bevat van het sterrenstelsel. Volgens Jim wijst deze kaar de weg naar de piratenplaneet.
Doppler en Jim regelen een schip om op een geheime missie te gaan naar de piratenplaneet. Het schip staat onder leiding van de sarcastische kapitein Amelia en haar loyale en altijd serieuze eerste stuurman, Mr. Arrow. De bemanning van het schip blijkt een bende plunderaars te zijn, die in het geheim wordt aangevoerd door de scheepskok John Silver. Jim vermoedt dat Silver de cyborg is waar Billy Bones voor waarschuwde. Ondanks zijn wantrouwen ontwikkelt Jim toch een band met Silver, die een soort vaderfiguur voor hem wordt. Wanneer het schip onderweg een zwart gat passeert, laat Silver door een van zijn handlangers Mr. Arrow overboord gooien.
Zodra het schip de piratenplaneet bereikt, breekt er een muiterij uit. Jim, Dr. Doppler en kapitein Amalia verlaten het schip en vluchten naar de planeet. Daar ontmoeten ze de robot B.E.N., die ooit diende als navigator op Kapitein Flints schip maar door hem werd achtergelaten. De piraten halen de vier al snel in, en dwingen Jim om de kaart te activeren.
De kaart leidt de groep naar een vreemdsoortige poort, die bediend wordt door de kaart in een bedieningspaneel te plaatsen. De poort blijkt een toegangsweg te kunnen openen naar elke plaats in het sterrenstelsel. Dat verklaart hoe Flint en zijn bemanning altijd vanuit het niets op konden duiken. De poort kan tevens een toegang openen naar het centrum van de planeet zelf, waar de schat verborgen is. De planeet zelf is in feite een groot complex ruimtestation. Wanneer de piraten de schat willen stelen, activeren ze per ongeluk het zelfvernietigingssysteem van de planeet. In de paniek die ontstaat vluchten Jim, Dr. Doppler, kapitein Amalia, B.E.N. en de piraten terug naar het schip. Aan boord helpt Silver Jim om snel een geïmproviseerde Solar Surfer te maken zodat Jim voor het schip uit kan vliegen en een poort kan openen naar hun thuisplaneet. Door de poort ontsnapt de groep aan de ontploffende planeet.
Na de ontsnapping worden de piraten opgesloten in het ruim. Amalia belooft dat ze een goed woordje zal doen voor Jim bij de Insterstellar Academy zodat hij daar kan gaan studeren. Silver verlaat die nacht in het geheim het schip. Jim betrapt hem, maar laat hem zijn gang gaan. Als afscheidscadeau geeft Silver Jim het enige deel van de schat dat hij heeft kunnen redden. Hiermee kan Jim de herberg van zijn moeder laten herstellen.
De film eindigt enkele jaren later in de herbouwde herberg. Dr. Doppler en Amalia zijn getrouwd en hebben vier kinderen. Jim is zojuist afgestudeerd van de academie en wordt thuisgebracht door twee politie-robots.
De film begint met een proloog waarin de protagonist, Jim Hawkins, nog een kind van een jaar of drie is. Zijn moeder vertelt hem elke avond verhalen over de legendarische piraat Kapitein Flint, wiens (vliegend)schip altijd vanuit het niets leek op te duiken en andere schepen beroofde. Zijn buit zou verstopt zijn op de legendarische “piratenplaneet”. Vervolgens verplaatst het verhaal zich 12 jaar in de toekomst. Jim is inmiddels een tiener die graag pleziertochtjes maakt met “solar surfboarding” (een vorm van surfen met een door zonne-energie aangedreven futuristische surfplank). Zijn hobby brengt hem geregeld in de problemen.
Op een dag stort er een schip neer vlakbij de herberg van Jims moeder. De stervende piloot, Billy Bones, geeft Jim een vreemde bol en waarschuwt hem uit te kijken voor “de cyborg”. Kort hierna wordt de herberg aangevallen door een groep piraten. Jim, zijn moeder en hun vriend Dr. Delbert Doppler kunnen maar net ontkomen. Doppler onderzoekt de bol, en het ding blijkt een projector te zijn die een gedetailleerde holografische kaart bevat van het sterrenstelsel. Volgens Jim wijst deze kaar de weg naar de piratenplaneet.
Doppler en Jim regelen een schip om op een geheime missie te gaan naar de piratenplaneet. Het schip staat onder leiding van de sarcastische kapitein Amelia en haar loyale en altijd serieuze eerste stuurman, Mr. Arrow. De bemanning van het schip blijkt een bende plunderaars te zijn, die in het geheim wordt aangevoerd door de scheepskok John Silver. Jim vermoedt dat Silver de cyborg is waar Billy Bones voor waarschuwde. Ondanks zijn wantrouwen ontwikkelt Jim toch een band met Silver, die een soort vaderfiguur voor hem wordt. Wanneer het schip onderweg een zwart gat passeert, laat Silver door een van zijn handlangers Mr. Arrow overboord gooien.
Zodra het schip de piratenplaneet bereikt, breekt er een muiterij uit. Jim, Dr. Doppler en kapitein Amalia verlaten het schip en vluchten naar de planeet. Daar ontmoeten ze de robot B.E.N., die ooit diende als navigator op Kapitein Flints schip maar door hem werd achtergelaten. De piraten halen de vier al snel in, en dwingen Jim om de kaart te activeren.
De kaart leidt de groep naar een vreemdsoortige poort, die bediend wordt door de kaart in een bedieningspaneel te plaatsen. De poort blijkt een toegangsweg te kunnen openen naar elke plaats in het sterrenstelsel. Dat verklaart hoe Flint en zijn bemanning altijd vanuit het niets op konden duiken. De poort kan tevens een toegang openen naar het centrum van de planeet zelf, waar de schat verborgen is. De planeet zelf is in feite een groot complex ruimtestation. Wanneer de piraten de schat willen stelen, activeren ze per ongeluk het zelfvernietigingssysteem van de planeet. In de paniek die ontstaat vluchten Jim, Dr. Doppler, kapitein Amalia, B.E.N. en de piraten terug naar het schip. Aan boord helpt Silver Jim om snel een geïmproviseerde Solar Surfer te maken zodat Jim voor het schip uit kan vliegen en een poort kan openen naar hun thuisplaneet. Door de poort ontsnapt de groep aan de ontploffende planeet.
Na de ontsnapping worden de piraten opgesloten in het ruim. Amalia belooft dat ze een goed woordje zal doen voor Jim bij de Insterstellar Academy zodat hij daar kan gaan studeren. Silver verlaat die nacht in het geheim het schip. Jim betrapt hem, maar laat hem zijn gang gaan. Als afscheidscadeau geeft Silver Jim het enige deel van de schat dat hij heeft kunnen redden. Hiermee kan Jim de herberg van zijn moeder laten herstellen.
De film eindigt enkele jaren later in de herbouwde herberg. Dr. Doppler en Amalia zijn getrouwd en hebben vier kinderen. Jim is zojuist afgestudeerd van de academie en wordt thuisgebracht door twee politie-robots.
De film begint in een ver verleden, en toont de ondergang van Atlantis. Terwijl de bevolking redding en dekking zoekt, ziet het meisje Kida hoe haar moeder zich opoffert om met de kracht van een kristal een deel van het eiland te redden.
Het verhaal verplaatst zich vervolgens naar het jaar 1914. De jonge taalkundige/cartograaf Milo James Thatch werkt aan zijn theorie over het bestaan van Atlantis. Hij denkt aanwijzingen over de locatie gevonden te hebben dankzij een oud dagboek, het Sheppard’s Journal. Hij probeert een expeditie op touw te zetten, maar niemand neemt hem serieus. Alleen Preston B. Whitmore, een vriend van Milo’s grootvader, toont interesse. Hij onthult dat hij en Milo’s grootvader, Thaddeus Thatch, al langere tijd een expeditie hadden gepland om Atlantis te vinden. Deze kon niet doorgaan omdat Thaddeus stierf en dus wil Whitmore dat Milo nu zijn plaats inneemt. Andere leden van de expeditie zijn commandant Lyle Rourke, zijn assistente Helga Sinclair, de Italiaanse explosievenexpert Vincenzo “Vinny” Santorini, een doorgedraaide Franse geoloog Gaetan “Mol” Molière, de arts Dr. Joshua Sweet, de monteur Audrey Ramirez, de kok Jebidiah Allerdyce “Cookie” Farnsworth en de cynische communicatie-expert Wilhelmina Packard.
De expeditie vertrekt per schip naar de locatie omschreven in het dagboek, alwaar ze per duikboot verder gaan. De duikboot wordt echter aangevallen door een robotische Leviathan waarbij de meeste bemanningsleden omkomen. Milo’s team haalt het wel en vindt een onderzeese grot. Deze grot leidt uiteindelijk naar Atlantis, of wat daarvan over is. De groep wordt welkom geheten door Kida, die nauwelijks is verouderd sinds de dag dat het eiland wegzonk in zee.
Kida ontdekt al snel dat Milo in staat is de oude teksten in de tempels van Atlantis te lezen, iets dat haar volk al lang is vergeten. Ze hoopt dat hij in de teksten iets kan vinden dat de stad kan redden. Ze ontdekken dat de stad wordt beschermd door het “Hart van Atlantis” : het magische kristal dat Kida’s moeder ooit gebruikte om de stad te redden, en waar alle blauwe kristallen die de Atlantianen bij zich dragen mee verbonden zijn. Dit Hart houdt ook alle Atlantianen jong.
Al snel blijkt dat vele leden van Milo’s team heel andere bedoelingen hebben. Ze willen de rijkdommen van de stad stelen en zeker dit Hart van Atlantis. Kida wordt gedwongen hen het Hart te tonen. Eenmaal in de kamer waar het Hart ligt, fuseert ze ermee, en verandert in een kristallen gedaante. Rourke laat haar in een metalen kist stoppen voor transport. Zonder het Hart zal de stad snel sterven. Milo slaagt erin Vincenzo, Mol, Joshua, Audrey, Jebidiah en Wilhelmina te overtuigen van hun fout en ze keren zich tegen Rourke en Helga. Rourke en Helga vertrekken met Kida en hun handlangers.
De koning van Atlantis waarschuwt Milo voor de gevaren van het Hart van Atlantis; hijzelf probeerde het ooit als wapen te gebruiken, wat de stad bijna fataal werd. Milo leert de Atlantianen hoe ze de oude vliegende oorlogsmachines in de stad moeten gebruiken, waarna de groep een aanval opent op Rourke, Helga en hun handlangers, die net bezig zijn via een uitgedoofde vulkaan terug te keren naar de oppervlakte. Rourke wil zich door niets laten tegenhouden en gooit Helga uit zijn ballon om de lading te verlichten. Helga maakt een fatale val, maar kan met haar laatste kracht de ballon stukschieten. Milo verslaat Rourke vervolgens door hem in kristal te veranderen met behulp van het Hart van Atlantis.
Door het gevecht wordt de vulkaan weer actief. Milo brengt Kida terug naar de stad, waarna ze het Hart van Atlantis gebruikt om een verdedigingsmuur te maken tegen de lava uit de vulkaan. Nadien worden zij en het Hart weer gescheiden.
Milo besluit in Atlantis te blijven terwijl de anderen teruggaan naar de bovenwereld. Wel geeft hij de anderen een brief mee aan Whitmore. Hij en het team besluiten te doen alsof hun expeditie is mislukt zodat niemand Atlantis nog lastig zal vallen.