L'oceanografo e regista di documentari Steve Zissou ha deciso di partire per una pericolosa impresa: vuole dare la caccia a uno squalo giaguaro, una misteriosa creatura che vive nelle profondità dell'oceano e che è responsabile della sparizione di Esteban, suo socio nonché suo migliore amico. A bordo della nave Belafonte, il leggendario esploratore partirà per una straordinaria avventura in compagnia di un colorito equipaggio che comprende sua moglie Eleanor, la giornalista Jane Winslett-Richardson, l'ingegnere tedesco Klaus Daimler, leale collaboratore dell'esploratore Bill Ubell, addetto al budget, Alistair Hennessey, anche lui oceanografo e rivale di Zissou. La spedizione sarà oggetto di un documentario e per questo sulla nave prendono posto anche il produttore Oseary Drakoulias, il fisico Vladimir Wolodarsky, autore della colonna sonora eseguita da Pelé dos Santos, un esperto di sicurezza che si diletta a cantare le canzoni di David Bowie in portoghese, e altri membri della troupe. Inoltre, grazie a Ned Plimpton, un misterioso gentiluomo venuto dal sud, nel corso della spedizione Zissou farà un'altra scoperta: cosa vuol dire essere padre...