20세기 초, 고생물학자 챌린저 교수는 아직 정복되지 않은 브라질 열대 우림에서, 살아있는 익룡 한 마리를 사냥한다. 런던으로 돌아온 챌린저는 옥스퍼드 동기인 서머리 교수의 세미나실에 나타나, 원정대를 결성해서 아직 멸종되지 않은 공룡을 찾아 나선다. 런던을 떠난 원정대는 17세기 포루투칼 탐험대였던 멘도즈신부가 남긴 일지와 지도에 있는 대로, 공룡이 산다고 의심되는 고원을 찾아 아마존강 상류에 도착한다. 그리고 그곳 선교마을에서 커 목사와 그가 조카처럼 보살핀 아그네스를 만나 환대를 받는다. 원주민과 말이 통하는 아그네스는 커 목사의 만류에도 불구하고 원정대를 돕겠다는 이유로 함께 모험을 시작한다. 나쁜 귀신이 출몰한다는 숲을 이동하다 짐을 나르던 원주민들은 겁을 먹고 도망치고 일행은 손수 짐을 지고 힘겹게 이동한다. 한편 커 목사는 일행한테 탐험을 포기하라고 하지만 챌린저는 뜻을 굽히지 않는다. 결국 길을 안다는 커 목사가 일행을 안내하고 고행을 계속하던 일행 앞에 문제의 고원이 웅장한 모습을 드러낸다. 고원 정상에 오른 일행은 초식공룡인 이구아노돈을 발견하고 기뻐하지만 연이어 무서운 익룡과 육식공룡의 공격을 받는다. 고원에 사는 원숭이 인간들은 고원에 나타난 원정대를 습격하고 챌린저, 서머리 교수를 납치한다. 두 사람을 구하려던 나머지 일행은 고원에 사는 원주민들과 함께 원숭이 인간을 습격하고 두 교수와 추장 아들을 구해낸다. 한편 원숭이 인간들은 육식공룡을 마을로 유인해 마을을 공격하게 만들고 마을은 폐허로 만들고 결국 추장은 사망한다. 추장 아들은 마을에 화를 불러온 원정대를 해치려하고 원정대는 도망친다. 런던에 돌아온 일행은 공룡이 살아있다는 증거를 보여 주려하지만 고원 위 세계가 파괴되지 않기를 바라는 일부 원정대의 설득으로 사람들에게 공룡이 살아있다는 이야기는 자신이 꾸며 낸 이야기라고 말한다.