Challenger, un aventurier, est convaincu de l'existence des dinosaures. Il en ramène une preuve après avoir échappé de peu à la mort dans des rapides en Amazonie. Il rentre ensuite en Angleterre et, face à une Académie des sciences perplexe, défie quiconque de l'accompagner en mission d'exploration. Se joignent à lui un jeune universitaire-reporter, Edward Malone, lord Summerlee et un professeur de l'Académie.

Arrivés en Amazonie, Challenger et les personnes qui l'accompagnent découvrent rapidement qu'ils ne sont pas seuls. L'endroit est en effet peuplé d'un groupe d'anthropopithèques, qui ne tardent pas à faire prisonniers les professeurs Challenger et Summerlee. Challenger est fasciné par ces créatures...