Trama:Il film inizia con un'esplosione e la conseguente enorme onda in procinto di sommergere la città di Atlantide; alcuni automi di pietra proteggono il centro della città con un campo di forza alimentato dal cosiddetto Cuore di Atlantide, una gemma dotata di propria volontà, che ha il potere di difendere la città. Per i servizi prestati, il cristallo pretende un tributo: un membro della casa reale di Atlantide, in questo caso la regina. La donna lascia indietro la figlia, la principessa Kida, e si fonde col cristallo. La parte di città protetta dalla barriera di energia si salva sprofondando sottoterra, mentre la porzione restante viene distrutta dalle acque.
Passano 8800 anni. Milo Thatch è un giovane linguista sognatore che lavora come tuttofare all'Istituto di ricerca Smithsonian. I suoi studi su Atlantide sono condotti tra una pausa e l'altra del suo lavoro di manutenzione della caldaia (con grande disappunto dei suoi superiori). Le sue indagini lo hanno indotto ad individuare il possibile luogo dove sarebbe nascosto il "Diario del Vecchio Pastore", un manoscritto vichingo che mostrerebbe una via per arrivare ad Atlantide. Dopo che la sua richiesta di finanziamento per i suoi studi venne rifiutata dai suoi superiori dell'Istituto, una donna misteriosa con atteggiamenti da "mamma natale", Helga Sinclair, invita il giovane e a seguirla da Preston B. Whitmore, un eccentrico miliardario che, per saldare un debito che aveva con il nonno di Milo, Thaddeus Thatch, aveva trovato il diario di cui Milo era alla ricerca; ora che lo ha fra le mani, può tradurlo in modo da costruire una via per Atlandide.
La spedizione per Atlantis è guidata dal comandante Lyle Rourke, lo stesso militare che precedentemente aveva guidato anche la spedizione che aveva ritrovato il diario, e da Helga. A bordo del sottomarino "Ulysses", assieme ad una bizzarra squadra di strampalati compagni, Milo parte, pur essendo poco abituato alla vita militare. Quando stanno per arrivare all'entrata del percorso vengono attaccati dal Leviatano, gigantesco automa sottomarino, che, nonostante i protagonisti riescano a fuggire con delle scialuppe, distrugge l'Ulysses con gravissime perdite.
Dopo molti pericoli e un lungo tragitto, seguendo le indicazioni del diario, gli uomini trovano la mitica città, incontrando in particolare tra gli atlantidesi Kidagakash (Kida per gli amici), la "giovane" principessa (ha 8800 anni!) che li conduce dal vecchio padre, il re Kashekim Nedakh, che ordina loro di lasciare al più presto il suo regno poiché sente che la loro presenza non porterà nulla di buono. Il re però accoglie la richiesta di Rourke di restare per una notte a rifocillarsi e prepararsi al viaggio di ritorno. Kida aiuta Milo a decifrare le scritte con la storia di Atlantide, ed essi scoprono la vera natura del "Cuore di Atlantide".
Anche il capitano Rourke è interessato alla natura del "Cuore di Atlantide", tanto che da quando aveva trovato il diario era desideroso di ottenere il cristallo: ora cerca in tutti i modi di scovarlo, minacciando addirittura di uccidere il re. Ma proprio all'ultimo momento trova il luogo dove è nascosto il "Cuore di Atlantide", che successivamente si fonde con Kida, imprigionata poi dal capitano e Helga. Poco più tardi nel palazzo, il re, sofferente, spiega a Milo la vera natura della gemma e la storia di Atlantide. Prima di morire dona al giovane il suo cristallo e gli chiede di salvare Atlantide e sua figlia. Con un inaspettato coraggio Milo, aiutato dal resto della truppa che non segue il malvagio comandante, mette in funzione le antiche macchine di Atlantide e salva l'amata. Helga viene scaraventata fuori dal dirigibile che porta il cristallo mentre il comandante viene a contatto con il cuore di Atlantide e si trasforma in una statua di cristallo che viene fatta a pezzi dall'elica. Viene così salvata Atlantide e Milo decide di restare, al contrario di tutti gli altri partecipanti della spedizione che decidono di tornare in superficie.
Una volta rientrati a casa, decidono di tenere segreto cosa è successo a Milo, tranne che al signor Whitmore, al quale consegnano il cristallo donato loro da Milo Thatch. Il film finisce col "funerale" del re, racchiuso in una roccia in cui è scolpito il suo volto: egli andrà, come tutti i re del passato, a proteggere il "Cuore di Atlantide".
