1881年のニューヨーク。大富豪ジョン・カーター（テイラー・キッチュ）が謎の失踪を遂げる。しかし、愛する妻と娘を失って以来、他人とのつき合いを絶ってきた彼は、唯一心を許していた甥エドガー・ライス・バローズ（ダリル・サバラ）に一冊の日記を残す。そこに記されていたのは、想像を越えた体験談だった。家族を亡くし、生きる意味を見失っていたジョン・カーターは、不思議な現象によって未知の惑星バルスームに迷い込んでいたというのだ。しかし、地球を凌駕する高度な文明を持ったこの星は、全宇宙を支配しつつあるマタイ・シャン（マーク・ストロング）によって滅亡の危機に瀕していた。地球上でも強靭な意志と身体的能力を誇っていたジョン・カーターだが、重力の異なるバルスームでは桁違いの超人的パワーを発揮。ヘリウム王国の王女デジャー・ソリス（リン・コリンズ）や彼女に忠誠を尽くすカントス・カン（ジェームズ・ピュアフォイ）、サーク族のタルス・タルカス（ウィレム・デフォー）など、バルスームの民たちと心を通わせてゆく。その一方で、ソダンガ王国の王子サブ・サン（ドミニク・ウェスト）はマタイ・シャンに操られ、ヘリウム王国を滅ぼそうとしていた。滅亡の危機にあるバルスームを救うことが、自分に課せられた使命であることに気づくジョン・カーター。しかし、妻と娘を救えなかったという無力感が、戦うことを躊躇わせていた。だが、マタイ・シャンの無慈悲な攻撃にさらされるバルスームの惨状は、彼の中に新たな感情を芽生えさせる。それは、愛する者を二度と失いたくないという強い思い。果たしてジョン・カーターと惑星バルスームの運命は？そして、カーターの日記を受け取ったエドガー自身も、この壮大な冒険の重要なカギを握っていた……。