南米探検旅行から帰ったイギリスの動物学者のチャレンジャー（クロード・レインズ）博士は、アマゾン上流に紀元前1億5000万年前の恐竜が住む“失われた世界”が存在すると発表した。動物学協会の人々は信用しなかった。博士は志願者があれば案内するといった。狩猟家で道楽者ロックストン卿（マイケル・レニー）、アメリカのジャーナリストの大立者の娘ジェニファ（ジル・セント・ジョン）と兄のデイヴィッド、アメリカの新聞記者兼写真家エド（デイヴィッド・ヘディソン）、サマリー教授の5人の志願者が決った。一行はブラジル経由でアマゾン上流の交易所へ。そこでヘリコプターの操縦士ゴメツと道案内のコスタが加わった。ヘリコプターは断崖の基地に着陸した。一行は奥地に向かった。雷竜が暴れてヘリコプターを断崖からたたき落した。食虫植物、大蛇、翌竜が彼らを襲った。また人類学上珍しい原住民種族の娘を捕らえた。ある日、草むらで有名な探検家バートン・ホワイトの日誌を発見した。ホワイトは“失われた世界”を求めて出発したまま帰らなかった。日誌によると“失われた世界”には巨大なダイヤが隠されていて、ロックストンはホワイトに物資の供給をする約束を果たさなかったこともわかった。ある夜、ゴメツが狙撃され、サマリー教授が負傷した。騒ぎの最中に原住民の娘が逃げた。ジェニファとエドが散歩の途中、恐竜に襲われ、その間に探検隊員は原住民たちに拉致された。残った2人も捕まり、一行は洞窟に監禁された。そこへ例の原住民の娘が現れ一行を秘密の抜け道から救い出し、ホワイトの住む洞窟に案内した。ホワイトは失明していた。一行は彼を残して、彼の教える逃げ道から脱出した。行く手には怪獣が待ち伏せ、原住民も追ってきた。地震にあい巨大なダイヤを発見した。コスタは火の怪獣に食われ、ゴメツも死んだ。死の洞窟から脱出すると、地震と大噴火が起り“失われた世界”は一瞬に消えた。“失われた世界”を証明するものはチャレンジャー博士が持ち帰った恐竜の子と、デヴィッドが連れてきた原住民の娘だけだった。