New York, 1939. Tidningsreportern Polly Perkins (Paltrow) börjar undersöka varför så många berömda forskare plötsligt försvinner. Snart får hon ledtrådar när mystiska flygande maskiner och stora robotar hotar staden. Som tur är, är hennes gamla flamma, duktige flygaren Joseph Sullivan (Law), alias Sky Captain, på plats med sina vänner för att bekämpa skurkarna.