Steve Zissou (Bill Murray) é un explotor subacuático lendario e director dunha serie de documentais sobre a vida no mar; Non obstante, non está vivindo o mellor: a súa popularidade está en “ondas baixas”. O seu mellor amigo e compañeiro, Esteban (Seymour Cassel), foi devorado por unha estraña especie de tiburón, e aparece un piloto de aire, que asegura ser o fillo que nunca coñecía.
Zissou pretende ir á procura do tiburón Jaguar que asasinou á súa mellor amiga para convertelo na estrela do seu próximo documental e vingar a morte do seu amigo. Na expedición organizada polo seu buque, o Belafonte, o acompañará, entre outros, o seu suposto fillo, converteuse nun productor do documental, a súa esposa Eleanor (Anjelic Huston), que tamén é o vicepresidente da súa compañía, unha xornalista embarazada que cobre a aventura da expedición (CATE BLANCHETT), un enxeñeiro alemán cariñoso (Willem Dafoe), o físico e compositor das bandas sonoras Vladimir Wolodarsky (Noah Taylor) e un experto en seguridade brasileira que está dedicado a cantar en temas portugueses por David Bowie , Pelar dous santos (Seu Jorge), unha tripulación moi peculiar.
A película está dedicada a Jacques-Yves Cousteau.