1939년, 전세계적으로 저명한 과학자 6명이 연이어 사라지는 전대미문의 미스터리한 사건이 발생한다. 이 사건을 조사하던 신문기자 폴리는 예고된 마지막 희생자 제닝스 박사를 만나지만 그는 토튼코프라는 악명 높은 과학자의 이름만 남기고 사라져 버린다. 그리고 뉴욕을 비롯 전세계는 정체를 알 수 없는 로봇들의 습격으로 순식간에 최악의 위기에 직면한다.
폴리는 옛 연인이자 최고의 파일럿인 스카이 캡틴과 함께 사건 해결에 나서지만, 제닝스 박사마저 살해되고, 전세계는 또 한번 로봇들의 습격에 무참히 파괴된다. 둘은 전투기 편대를 몰고 거대한 빌딩숲을 가르며 이들에 대항하지만, 엄청난 화력으로 무장한 이들을 당해내지 못한다. 설상가상으로 오른팔인 덱스마저 로봇들의 본거지가 네팔이라는 단서만 남긴 채 납치되고 만다.
폐허로 변해 버린 인류의 문명을 뒤로 한 채 스카이 캡틴과 폴리는 인류의 미래를 건 전쟁에 나서고…
태평양을 횡단하던 스카이 캡틴과 폴리는 계속되는 로봇의 추격에 쫓겨 추락할 위기에 처한다. 그러나 절체절명의 순간, 스카이 캡틴의 친구이자 애꾸눈의 해군 여장교 프랭키가 등장, 이들을 구해준다. 하지만 묘한 과거를 암시하는 프랭키와 스카이 캡틴의 끈끈한 관계는 폴리의 질투심을 자극하고, 내내 티격태격했던 스카이 캡틴과 폴리과 프랭키 세 사람 사이에 새로운 긴장감이 흐르는데…
로봇들의 습격은 끊이지 않고, 프랭키의 목숨을 건 전략으로 스카이 캡틴과 폴리는 마침내 바다 속 깊은 곳에 숨어 있던 토튼코프의 본거지 잠입에 성공한다. 마침내 이들 로봇의 실체와 배후에 숨어 있던 토튼코프의 정체가 드러나지만, 인류 멸망을 향한 음모의 카운트다운이 이미 시작된 상황!
스카이 캡틴과 폴리는 이들의 음모를 막고 인류의 미래를 구원할 수 있을 것인가!!
그들의 전쟁은 지금부터 시작이다…
