1939年、ポーランドのワルシャワ。ヤン（ヨハン・ヘルデンブルグ）とアントニーナ（ジェシカ・チャステイン）の夫妻は、ヨーロッパ最大の規模を誇るワルシャワ動物園を経営していた。アントニーナの日課は、毎朝、園内を自転車で巡り、動物たちに声を掛けること。そして時には、動物たちのお産を手伝うほど献身的な愛を注いでいた。しかしその年の秋、ドイツがポーランドに侵攻。これをきっかけに、第二次世界大戦が勃発する。動物園の存続が危うくなる中、ヤンは“この動物園をユダヤ人たちの隠れ家にする”という驚くべき提案をする。人間も動物も、生きとし生けるものすべてに深い愛情を注ぐアントニーナは、即座にその提案を受け入れる。こうしてヤンは、ユダヤ人強制居住区域“ゲットー”に忍び込み、ユダヤ人たちを次々と救出。動物園の地下の檻に匿うと、アントニーナが得意のピアノや温かい食事でもてなし、彼らの傷ついた心を癒していく。だが、この活動がドイツ兵に見つかれば、自分たちだけでなく、我が子の命までも危険に晒すことになる。ヤンが不在にすることも多い中、独りで隠れ家を守り、怯むことなく果敢に立ち向かっていくアントニーナ。いくつもの危険を冒しながら、彼女はいかにして300もの命を救ったのか……。