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Il film inizia nella notte dei tempi, con un'esplosione e la creazione di un enorme tsunami nell'Oceano Atlantico, in procinto di sommergere la città di Atlantide, città molto avanzata, dove già conoscevano e applicavano la moderna corrente elettrica.

Alcuni automi in pietra proteggevano il centro della città mediante un campo di forza, alimentato da un misterioso artefatto posto sopra la città, il quale chiama a sé la regina. La donna lascia indietro la figlia piccola Kida e il suo marito, fondendosi con esso.

Così, la parte di città protetta dalla barriera di energia si salva sprofondando sottoterra tra le cascate della futura Islanda, mentre la porzione restante dell'impero viene distrutta dalle acque, uccidendo nella fusione anche la regina.

Passano 8.800 anni. Nel 1914 a Washington DC, Milo Thatch è un giovane linguista sognatore che lavora come tuttofare all'Istituto di ricerca Smithsonian. Conduce i suoi studi su Atlantide tra una pausa e l'altra del suo lavoro di manutenzione della caldaia.

Le sue indagini lo hAnno condotto 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, una donna misteriosa, una tale 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 aveva fra le mani, poteva tradurlo, in modo da organizzare una ricerca e un viaggio verso il mitico Continente Perduto.

La spedizione per Atlantide è finanziata da Preston e guidata dal comandante Lyle Rourke, lo stesso militare che aveva guidato la precedente missione durante la quale era stato ritrovato il diario, e da Helga. A bordo del sottomarino "Ulysses", Milo parte, pur essendo poco abituato alla vita militare, facendo conoscenza anche di alcuni dei membri dell'equipaggio come Vinny, l'esperto di esplosivi, Audrey Ramirez, il capo meccanico, Moliere, geologo e pilota della scavatrice, il dottor Dolce, il cuoco Cookie e la signora Packard delle comunicazioni.

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 e seguendo le indicazioni del diario, la spedizione arriva vicino all'entrata della mitica città. Qui il gruppo, dopo l'iniziale scetticismo, comincia ad accettare Milo tra loro, arrivando a fraternizzare e raccontarsi le loro storie. Durante la notte però alcune lucciole in una gigantesca lampada di pietra sul soffitto attaccano l'accampamento, rivelandosi incendiarie e bruciando buona parte dell'equipaggiamento. La spedizione fugge ma mentre sono sul ponte uno dei camion con il carburante esplode, facendo cadere tutti in un buco che è un vecchio vulcano dormiente. Milo durante la caduta si isola dagli altri e viene avvicinato da cacciatori atlantidei della stirpe Kidagakash. In particolare una giovane atlantide si avvicina a lui e con un cristallo tocca la ferita del ragazzo, che si rimargina all'istante, ma i rumori delle macchine li fAnno fuggire e, nell'inseguirli, Milo e il gruppo trova finalmente la città di Atlantide. Qui incontrano la principessa Kida, che li porta dal padre, poiché convinta che possano aiutarli: la città infatti è decadente e sull'orlo della rovina, a causa dell'inabissamento a inizio film.

Il padre della principessa, il re Kashekim Nedakh, ordina al gruppo 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 per prepararsi al viaggio di ritorno. Il gruppo vuole scoprire di più, e l'unica del posto disposta collaborare con loro è la principessa, pertanto decidono di mandare Milo a parlare con lei, in quanto è il più affidabile e l'unico a conoscere la sua lingua. Kida e Milo si aiutano a vicenda, con lei che gli racconta aneddoti della loro storia e lui a decifrare le scritte, poiché né lei né nessun atlantidese sa leggere perché hAnno perso questa pratica millenni fa con l'Inondazione, e nel giro di poche ore i due si avvicinano, la principessa perché affascinata dalle capacità del ragazzo e la sua conoscenza, e il cartografo per la personalità e la bellezza della "giovane" (ha infatti 8800 anni). Alla fine, attraverso un gigantesco mosaico sommerso i due scoprono l'esistenza del "Cuore di Atlantide", un gigantesco cristallo che Kida scambiò per una stella e che fornisce poteri e longevità ai cittadini di Atlantide tramite cristalli più piccoli. Milo non capisce però perché una cosa così importante nel diario non sia scritta, ricordandosi che l'argomento era sì trattato, ma si interrompeva bruscamente come se mancasse una pagina.

Quando Milo riemerge dall'acqua con Kida i due trovano ad attenderli il capitano Rourke con l'intera spedizione armata fino ai denti, che li accerchiano e catturano Kida. Rourke, mostra a Milo la pagina mancante del diario che narra della natura del "Cuore di Atlantide", rivelando che da quando aveva trovato il diario era desideroso di impossessarsi del cristallo: cerca in tutti i modi di trovarlo, minacciando addirittura di uccidere il re. Ma proprio all'ultimo momento trova il luogo dove è nascosto il "Cuore di Atlantide". Giunti nei sotterranei trovano il cristallo sotto forma di un piccolo sole azzurro galleggiare sopra l'acqua circondato dai totem di pietra dei re precedenti di Atlantide, che gli girano intorno come i satelliti di un pianeta. Rourke cerca di capire a come prendere il cristallo, ma in quel momento Kida entra in trance e si avvicina al cristallo. Il capitano chiede a Milo spiegazioni, ma egli non sa spiegarselo, affermando solo che nel diario del vecchio pastore si accenna al fatto che il cristallo sembra essere vivo. Il cristallo parla in quel momento tramite Kida parlando a Milo in lingua Atlantidese, rassicurandolo che andrà tutto bene e di non avere paura. Kida, camminando sull'acqua, giunge sotto il cristallo che la innalza fondendosi infine con lei, diventando una sagoma umana luminosa. Rourke fa rinchiudere Kida in un contenitore preparandosi a portarla via. Gli amici di Milo, consapevoli che in questo modo avrebbero compromesso la città degli Atlantidesi poiché il cristallo rappresentava la sorgente di vita che permetteva alla città di sopravvivere, abbandonano la loro idea di arricchirsi a scapito di sacrificare della gente innocente e, schierandosi con Milo, accusano Rourke che in questo modo solo per soldi ucciderà delle persone. Il capitano non volendo sentire ragioni si allontana col cristallo, facendo saltare il ponte con delle cariche per impedire che li segua.

Poco più tardi nel palazzo, il re, sofferente, spiega a Milo la vera natura della gemma e la storia di Atlantide. Il cristallo è in qualche modo un essere vivente sconosciuto fatto di energia dotato di coscienza propria. Egli si alimenta dalle emozioni positive della popolazione di Atlantide. Il re tuttavia è colto dai sensi di colpa, poiché 8.800 anni fa Atlantide fu inabissata a causa delle sue azioni, per avere cercato di servirsi del potere del cristallo usandolo come arma. Ma il potere sprigionato fu troppo potente e causò la rovina della città. Il re fece quindi rinchiudere il cristallo sotto la città, per evitare che la storia potesse ripetersi.

Prima di morire dona al giovane il suo cristallo e gli chiede di salvare sia Atlantide che 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.

Nel frattempo Helga viene scaraventata fuori dal dirigibile da Rourke, che voleva prendersi tutto il guadagno. Prima di morire, però, Helga distrugge il dirigibile utilizzando la sua pistola e Rourke, dopo aver cercato di uccidere Milo con un'ascia, viene da questi tagliato al braccio con un frammento di vetro che era stato a contatto con il Cuore di Atlantide e si trasforma in una statua di cristallo, poi fatta a pezzi dall'elica del dirigibile. Così Atlantide viene salvata e Milo, innamoratosi nel frattempo della regina Kida, decide di restare, al contrario di tutti gli altri partecipanti della spedizione che sono convinti di tornare in superficie.

Una volta rientrati a casa, scelgono di tenere segreta sia la scoperta di Atlantide, sia la decisione di Milo, tranne che al signor Whitmore, al quale consegnano il cristallo donato loro da Milo Thatch. Il film finisce col "funerale" del re, ed una roccia in cui è scolpito il suo volto: egli andrà, come tutti i re del passato, a proteggere il "Cuore di Atlantide"