New York dans les années 30. Alors que des scientifiques renommés commencent à disparaître et que Manhattan est attaqué par des machines volantes et de gigantesques robots, le reporter Polly Perkins décide d'enquêter. Elle est aidée par l'héroïque pilote capitaine Sky.
Ils découvrent que la personne qui est derrière ce complot est le Dr. Totenkopf. Son but est la destruction du monde...

• Gwyneth Paltrow : Polly Perkins
• Jude Law : Joe 'Sky Captain' Sullivan
• Giovanni Ribisi : Dex Dearborn
• Michael Gambon : Editor Paley
• Bai Ling : Femme mystérieuse
• Omid Djalili : Kaji
• Laurence Olivier : Dr. Totenkopf (film d'archive) (sous le nom : Sir Laurence Olivier)
• Angelina Jolie : Capt. Francesca 'Franky' Cook