1957年、ネバダ州。ソ連軍の女諜報部員スパルコ（ケイト・ブランシェット）に拉致されて、米軍基地の襲撃にひと役かわされたインディ・ジョーンズ（ハリソン・フォード）と相棒マック（レイ・ウィンストン）は、なんとか逃走することに成功する。スパルコが狙っているのは、宇宙の神秘の力を解き明かす秘宝として言い伝えられているクリスタル・スカルだった。考古学者として大学に戻るインディだが、FBIからソ連のスパイの容疑をかけられて職を解かれてしまう。やむなくイギリスへ向かおうとした彼が知り合ったのは、反抗的な若者のマット（シャイア・ラブーフ）だった。彼は、母とインディの友人であるオクスリー教授（ジョン・ハート）を救うため、インディを探していたのだ。インディとマットは南米でクリスタル・スカルを発見するが、スパルコ側に寝返ったマックによって捕えられ、アマゾンの奥地へと移送される。そこでインディが対面したのは、結婚式を迎える寸前で破局した元・恋人のマリオン（カレン・アレン）であり、マットが自分の息子であることを知り衝撃を受ける。錯乱したオクスリー教授とインディたちは、クリスタル・スカルを守るためにスパルコと攻防戦を繰り広げながら、伝説の黄金都市を探し続ける。ようやくそれを発見したとき、またしてもマックの裏切りによってスパルコも追いかけてきた。王国には、失われた歴史上の遺跡の数々が眠っていた。そして、13体のクリスタルたち。彼らは次元を超越した生命体だった。その最後のひとつにクリスタル・スカルが接続されたとき、宇宙と宇宙の裂け目が開き、そこにスパルコは吸収されていった。やがて、遺跡は跡形もなく消えた。インディとマリオンは、正式な結婚式を挙げる。それを見守るマット。こうして、インディJr3世はマットへと継承された。