Trevor Anderson (Brendan Fraser) é um cientista cujas teorias não são bem aceitas pela comunidade científica. Decidido a descobrir o que aconteceu com seu irmão Max (Jean Michel Paré), que simplesmente desapareceu, ele parte para a Islândia juntamente com seu sobrinho Sean (Josh Hutcherson) e a guia Hannah (Anita Briem). Entretanto em meio à expedição eles ficam presos em uma caverna e, na tentativa de deixar o local, alcançam o centro da Terra. Lá eles encontram um exótico e desconhecido mundo perdido.