Légendaire explorateur des fonds marins, Steve Zissou est aussi connu pour son caractère excentrique que pour ses documentaires. Mais il traverse une mauvaise passe. Son fidèle coéquipier s'est fait dévorer par un requin jaguar, et la rumeur selon laquelle il n'est plus à la hauteur va bon train. Pour couronner le tout, Ned Pimpton, un jeune pilote, débarque dans sa vie et prétend être son fils. Il est grand temps pour Steve de se lancer dans la plus ambitieuse expédition de sa carrière, celle qui lui permettra de venger son ami du requin jaguar, devenir le père qu'il n'avait jamais cru pouvoir être et redorer son blason au prix de mille épreuves.