L’océanographe mondialement réputé Steve Zissou (Bill Murray) et son équipage--Team Zissou—se lancent dans une expédition pour traquer l’insaisissable et mystérieux requin jaguar, vraisemblablement imaginaire, qui a tué le partenaire de Zissou lors du tournage de leur dernier documentaire. Au cours de leur expédition, ils sont rejoints par un jeune co-pilote de ligne, qui pourrait s’avérer être – ou ne pas être - le fils de Zissou (Owen Wilson), une ravissante journaliste chargée de faire le portrait de Zissou (Cate Blanchett), et l’épouse de Zissou, Eleanor (Anjelica Huston), dont il est séparé mais qui est sa coproductrice. Ils doivent faire face à d’incroyables complications, et rien ne leur sera épargné, ni les pirates, ni les enlèvements, pas même la faillite.