Quatre ans ont passé depuis le désastre du Jurassic Park sur Isla Nublar, qui est une des cinq îles d'un archipel nommé Las Cinco Muertes (« Les Cinq Morts ») à deux cents milles nautiques (environ 370 km) dans le Pacifique au large du Costa Rica. Sur Isla Sorna, l'île voisine où les jeunes dinosaures étaient élevés avant d'être envoyés au Jurassic Park, l'incident d'une famille anglaise en croisière, qui révèle du même coup l'existence des dinosaures au public, est utilisé par Peter Ludlow, neveu de John Hammond, pour démettre son oncle de la présidence d'InGen et renflouer la compagnie par la constitution d'un nouveau parc sur le continent à San Diego, en Californie.
John Hammond, désormais soucieux de la préservation de cet écosystème exceptionnel mais toujours aussi imprudent et exalté, sollicite Ian Malcolm, rescapé de Jurassic Park et renvoyé de l'institut dans lequel il travaillait après avoir transgressé une clause de confidentialité par InGen mais auquel personne ne l'a cru, pour qu'il prenne la tête d'une équipe de quatre scientifiques dont fait partie sa petite amie Sarah Harding, afin de constituer un dossier photo destiné à rallier l'adhésion du grand public pour la protection de l'île et de ses dinosaures.
Or partie trois jours avant tout le monde Sarah est déjà sur place, seule. Ian Malcolm part aussitôt à son secours avec les deux autres scientifiques, Eddie Carr et Nick Van Owen, mais aussi pour tenter d'éviter un nouveau drame qui semble se préparer par une surpopulation de dinosaures sur l'île qui mènerait tôt ou tard à une arrivée de ces monstres sur le continent bien trop proche. Arrivé sur l'île, il découvre avec stupeur que Kelly sa fille de 13 ans ne l'a pas écouté et est aussi du voyage, arrivée clandestinement dans le camion laboratoire.
Dès le lendemain de l'arrivée sur l'île la petite équipe des quatre zoologistes découvre également que Ludlow, en homme d'affaires cupide, a envoyé une seconde expédition composée d'une trentaine de chasseurs, dont Roland Tembo, qui ne souhaite qu'une chose, chasser le plus grand prédateur de l'histoire, un T-Rex mâle, équipés de moyens techniques énormes de capture afin de prélever des spécimens adultes de toutes espèces (y compris parmi les plus redoutables) pour les importer sur un nouveau parc sur le continent près de San Diego, et Ludlow dirige personnellement l'expédition.
Sur place, les deux équipes vont d'abord s'affronter (celle des quatre scientifiques libérant les animaux déjà capturés par les chasseurs) avant de subir de lourdes pertes matérielles et humaines, dont Eddie et la plupart des chasseurs, et de s'unir face au danger majeur permanent que représente la « faune locale » afin d’appeler des secours. Les efforts de Malcolm et de Sarah seront cependant insuffisants pour empêcher Ludlow de faire importer le Tyrannosaurus rex mâle adulte et son petit par cargo à San Diego sur le continent, celui-ci voulant coûte que coûte inaugurer son nouveau parc touristique « le plus spectaculaire au monde ».
Une partie du port et de la banlieue portuaire de la ville seront dévastés par l'animal gigantesque libéré accidentellement de ses entraves sur le cargo dont l'équipage a été massacré avant même d'arriver au port et le monstre va semer la terreur et la mort dans toute la population locale pendant une nuit à la recherche de son petit. Ian Malcolm et Sarah Harding parviendront à ramener le T-rex sur le navire en l'attirant grâce à son petit. Ludlow figurera parmi les victimes du T-rex : en voulant récupérer le petit T-rex, il tombera nez à nez avec son père qui l'empêchera de s'enfuir et encouragera sa progéniture à tuer sa première proie. Ludlow mort, son oncle John Hammond reprenant alors immédiatement le contrôle de la présidence d'InGen fera aussitôt reconduire sur l'île le T-Rex et son petit par le même cargo escorté de toute une armada navale militaire.
Le film se conclut sur une interview télévisée de John Hammond, qui demande instamment que les îles deviennent des réserves naturelles pour les dinosaures et que l'homme ne cherche plus à y intervenir, et que si on fait confiance à la Nature, la vie trouvera son chemin.
Un radiotélescope du programme SETI capte des ondes émises par un vaisseau extraterrestre démesuré qui s'est immobilisé en orbite géostationnaire lointaine. Le Pentagone, averti de cette présence, décide de garder le secret sur cette découverte. Peu de temps après, de gigantesques vaisseaux entrent dans l'atmosphère puis prennent lentement position au-dessus de diverses mégapoles mondiales. À Washington, le président des États-Unis Thomas J. Whitmore (Bill Pullman) s'interroge sur la conduite à tenir.
David Levinson (Jeff Goldblum) est analyste informaticien. Il découvre qu'un signal provenant du vaisseau extraterrestre et capté par un radiotélescope joue le rôle d'un compte à rebours. Il décide d'en informer en haut lieu en prenant contact avec son ex-femme Constance Spano (Margaret Colin) qui est conseillère à la Maison-Blanche. Le président décide alors l'évacuation générale, mais il est trop tard : de chacun des vaisseaux surgit un rayon surpuissant qui détruit instantanément les buildings et tous leurs environs. Le lendemain, les lieux visés ne sont plus que ruines et désolation. Le nombre de victimes est très lourd.
Steven Hiller (Will Smith) est capitaine de l'US Marine Corps (USMC). Avec les quelques survivants, le président Whitmore, qui a échappé de justesse à la destruction de la capitale, décide d'organiser la riposte.
L'Air Force One étant en sécurité dans la base militaire de la Zone 51, une première attaque aérienne massive est lancée sur les vaisseaux, mais aussitôt le combat engagé, les pilotes humains constatent que leur armement ne peut percer le bouclier énergétique qui entoure ceux-ci. Écrasés sous le nombre des chasseurs sortis par les vaisseaux envahisseurs, les avions sont abattus les uns après les autres, à l'exception de celui du capitaine Steven Hiller, qui parvient à mener son adversaire dans un dédale rocheux avant de l'aveugler avec sa toîle de parachute et de le faire s'écraser.
Hiller se retrouve dans le désert du comté de Lincoln, au sud-est du Nevada, en compagnie de l'extraterrestre qu'il a assommé et qu'il traîne derrière lui. Il est rejoint un peu plus tard par un convoi de caravanes tractées par des personnes ayant échappé à l'anéantissement, et qu'il va guider vers la Zone 51.
Dans les ruines de Los Angeles, Jasmine Dubrow, compagne de Steven Hiller ayant survécu à l'anéantissement avec son fils Dylan, parvient à dégager plusieurs survivants des décombres, parmi lesquels la Première dame des États-Unis, Marilyn Whitmore, dont l'hélicoptère s'est écrasé peu de temps après le début de la destruction de la ville.
Thomas Whitmore se rend dans la Zone 51. Il y apprend alors que ce n'est pas la première fois que les Humains se trouvent confrontés à ces extraterrestres : un chasseur extraterrestre s'est en effet écrasé en 1947 aux alentours de Roswell et a été récupéré dans la plus grande discrétion par l'US Air Force.
Dans le laboratoire médical de la Zone 51, des scientifiques entament l'ouverture de la combinaison biomécanique de l'extraterrestre capturé par Steven Hiller, toujours inconscient et tenu pour mort, mais l'opération se transforme en désastre, car l'extraterrestre se réveille soudain et tue les scientifiques présents par télépathie. Après une tentative de négociation infructueuse, l'extraterrestre est abattu alors qu'il tente de tuer le président américain.
Ce dernier ayant perçu quelques bribes du passé et des intentions belliqueuses de l'espèce extraterrestre, il décide d'utiliser l'arme nucléaire pour détruire le vaisseau au-dessus de Houston, mais une fois l'explosion dissipée, l'euphorie s'évanouit aussi vite qu'elle est apparue : le vaisseau protégé par son bouclier est toujours intact.
Désemparés, les rescapés ne savent plus quelle piste explorer jusqu'à ce que David Levinson, sous le coup d'une rude gueule de bois et avec l'aide de son père Julius Levinson, ait une soudaine inspiration. L'idée, à la fois d'une simplicité folle et d'une audace sans précédent, consiste à implanter dans le système informatique du vaisseau mère en orbite terrestre un virus informatique qui désactivera par signal satellite les boucliers de tous les vaisseaux extraterrestres.
Steven Hiller et David Levinson se portent volontaires pour piloter le chasseur extraterrestre détenu dans la Zone 51 et réparé par les scientifiques afin d'accéder au vaisseau mère pour y implanter le virus. Sur Terre, la contre-offensive planétaire est lancée, et Thomas Whitmore la mène personnellement à bord de son F-18, tandis que le virus de David Levinson désactive les boucliers de tous les vaisseaux. Cependant, la trop faible puissance des missiles air-air ne permet pas de détruire ceux-ci, d'autant plus que les chasseurs extraterrestres se lancent dans la bataille pour protéger les vaisseaux-mère.
Un vaisseau est sur le point de d'émettre son rayon destructeur sur la Zone 51, le pilote Russell Casse, qui ne peut tirer son dernier missile, bloqué, se sacrifie en lançant son F-18 dans l'émetteur du rayon. Une explosion fulgurante déchire alors le vaisseau, touché en plein cœur, qui s'écrase.
Pendant ce temps, leur chasseur extraterrestre bloqué dans le vaisseau-mère, Steven Hiller et David Levinson tentent le tout pour le tout. Après avoir tiré un missile pourvu d'une ogive nucléaire de très forte puissance qui s'est fiché dans la structure du vaisseau, ils parviennent à se délivrer du dispositif qui retenait leur chasseur et à quitter in extremis le vaisseau mère avant que l'explosion nucléaire le désintègre.
Steven Hiller et David Levinson, qui se sont écrasés dans le désert à leur retour, sont rejoints par Thomas Whitmore et leurs épouses respectives.
Le riche homme d'affaires John Hammond a créé un parc à thème animalier appelé Jurassic Park, avec des dinosaures clonés et des plantes préhistoriques, sur l' île costaricienne d' Isla Nublar . À la suite d'un accident sur le site où un travailleur est tué, l'avocat Donald Gennaro, représentant les investisseurs de Hammond, insiste pour qu'il obtienne des experts pour certifier que son parc est sûr.
Hammond emmène un groupe composé de Gennaro, du mathématicien et théoricien du chaos Ian Malcolm, du paléontologue Dr. Alan Grant et du paléobotaniste Dr. Ellie Sattler, pour voir le parc. Ils sont choqués de voir des dinosaures vivants, y compris Brachiosaurus , à leur arrivée. Hammond révèle que les dinosaures ont été créés par une équipe de généticiens grâce au clonage, un processus qui utilise l'ADN ancien préservé des moustiques qui se trouvent à l'intérieur de l' ambre , avec de l'ADN de grenouilles utilisé pour combler les génomes manquants . Le généticien en chef, le Dr Henry Wu, souligne que la reproduction est empêchée par tous les dinosauresgénétiquement modifiées en tant que femelles, mais Malcolm théorise que la nature surmontera cet obstacle avec le temps.
Hammond organise pour le groupe, accompagné de ses petits-enfants Tim et Lex, une visite de l'île en véhicules électriques, tandis qu'il supervise la visite de la salle de contrôle avec le travailleur informatique Ray Arnold et le programmeur informatique en chef Dennis Nedry. Le groupe rencontre un Triceratops malade pendant la tournée, mais le Tyrannosaurus et le Dilophosaurus n'apparaissent pas, et la visite est interrompue lorsqu'une tempête tropicale approche de l'île. Sattler reste avec le vétérinaire du parc pour étudier les Triceratops , tandis que le reste du groupe retourne au centre d'accueil.
Nedry avait auparavant été approché par Dodgson, un représentant d'une société rivale, pour leur voler des embryons de dinosaures . Avec la plupart des employés du parc partant pour le continent, Nedry ferme les systèmes de sécurité du parc pour accéder aux embryons et au quai de l'île, où il déposera les embryons. Le sabotage de Nedry coupe également l'alimentation des véhicules de tourisme, les bloquant devant le paddock Tyrannosaurus rex alors que la tempête frappe. Le Tyrannosaures'échappe du paddock et attaque les véhicules, dévorant Gennaro, blessant Malcolm et forçant Grant, Tim et Lex à pénétrer dans les réserves de dinosaures du parc. Sattler, rejoignant le garde-chasse du parc Robert Muldoon, tente de les sauver, mais ils ne peuvent trouver Malcolm et doivent se retirer avec lui que lorsque le Tyrannosaure les poursuit brièvement. Nedry, ayant acquis les embryons, tente d'atteindre le quai, mais se perd dans la tempête, s'échoue et est tué par un Dilophosaurus .
La tempête passe et le lendemain matin, Grant et les enfants tombent sur des œufs cassés. Grant en déduit que les dinosaures ont reçu l'ADN de grenouilles ouest-africaines, qui peuvent passer du mâle à la femelle dans un environnement unisexe, prouvant ainsi à Malcolm que les méthodes de contrôle de la reproduction échoueraient. Le trio retourne au centre d'accueil.
Pendant ce temps, Arnold décide de redémarrer les systèmes du parc pour annuler le sabotage de Nedry et restaurer sa pleine puissance. Il se dirige vers un hangar de maintenance pour réactiver les disjoncteurs , tandis que les autres se réfugient dans un bunker d'urgence. Quand Arnold ne revient pas, Sattler et Muldoon se dirigent vers le hangar, après quoi ils découvrent que le redémarrage a libéré les Velociraptors . Muldoon va dans la jungle pour chasser les Velociraptors , tandis que Sattler atteint le hangar en toute sécurité. Dans le hangar, elle rallume les systèmes du parc et fuit un Velociraptor qui avait tué Arnold. Pendant ce temps, Muldoon tente de tuer les autres Velociraptors , mais est pris en embuscade et tué par l'un d'eux.
De retour au centre d'accueil, Grant laisse les enfants à la recherche de Sattler. Les vélociraptors tentent d'attaquer Lex et Tim, mais ils échappent aux dinosaures et se réunissent avec Grant et Sattler. Dans la salle de contrôle, le groupe termine le redémarrage des systèmes du parc, mais ils sont ensuite poursuivis à travers le centre d'accueil par les Velociraptors . Le groupe est acculé par les Velociraptors jusqu'à ce que le Tyrannosaurus arrive à travers un grand trou dans le mur du centre et tue les Velociraptors , sauvant le groupe et leur permettant de s'échapper.
Ramassé par Hammond et Malcolm, Grant annonce qu'il n'endossera pas le parc, et Hammond accepte. Le groupe monte à bord d'un hélicoptère qui a été envoyé pour les secourir et ils quittent l'île paisiblement à leur retour sur le continent.