Steve Zissou (Bill Murray) és un llegendari explorador submarí i realitzador d’una sèrie de documentals sobre la vida al mar; però, no està vivint el seu millor moment: la seva popularitat està en “onades baixes”. El seu millor amic i soci, Esteban (Seymour Cassel), ha estat devorat per una estranya espècie de tauró, i apareix un pilot aeri, Ned Plimpton (Owen Wilson), que assegura ser el fill que mai va conèixer.
Zissou es proposa anar a la recerca de l’tauró jaguar que va assassinar al seu millor amic per convertir-lo en l’estrella del seu següent documental i venjar la mort del seu amic. En l’expedició que organitza en el seu vaixell, El Belafonte, l’acompanyaran, entre altres, el presumpte fill, convertit en productor de l’documental, la seva esposa Eleanor (Anjelica Huston), que és a més la vicepresidenta de la seva companyia, una periodista embarassada que cobreix l’aventura de l’expedició (Cate Blanchett), una afectuosa enginyer alemany (Willem Dafoe), el físic i compositor de les bandes sonores Vladimir Wolodarsky (Noah Taylor) i un expert en seguretat brasiler que es dedica a cantar en portuguès temes de David Bowie , Pele Dos Santos (Seu Jorge), una tripulació molt peculiar.
La pel·lícula està dedicada a Jacques-Yves Cousteau.