Depuis dix ans, le petit empire du documentariste-océanographe Steve Zissou perd de son lustre, à un point tel que l’accueil mitigé de son dernier film compromet le financement de sa prochaine expédition. Souhaitant se venger du requin-jaguar qui a récemment emporté son meilleur plongeur et ami, Zissou est bien décidé à regagner la mer, malgré les objections de sa femme Eleanor, sa principale mécène. Ayant entre-temps recruté dans son équipe Ned Plimpton, un jeune pilote qui prétend être son fils illégitime, Zissou s’apprête à repartir. Mais le voyage ne s’annonce pas de tout repos, puisque le cinéaste devra rivaliser avec Ned pour gagner le coeur de la journaliste Jane Winslett-Richardson qui, enceinte, a fui une vie personnelle tourmentée pour couvrir l’expédition.