Steve Zissou (Bill Murray) est un explorateur sous-marin légendaire et directeur d’une série de documentaires sur la vie en mer; Cependant, il ne vit pas son meilleur: sa popularité est dans « Low Waves ». Son meilleur ami et partenaire, Esteban (Seymour Cassel), a été dévoré par une étrange espèce de requins et un pilote d’air, Ned Plimpton (Owen Wilson), qui assure être le fils qu’il n’a jamais su.
Zissou a l’intention d’aller à la recherche du requin Jaguar qui a assassiné son meilleur ami pour la transformer en étoile de son prochain documentaire et venger la mort de son ami. Dans l’expédition organisée par son navire, le Belafonte, l’accompagnera, entre autres, son fils présumé, devenu un producteur du documentaire, son épouse Eleanor (Anjelic Huston), qui est également vice-président de son entreprise, journaliste enceinte qui couvre l’aventure de l’expédition (Cate Blanchett), un ingénieur allemand affectueux (Willem Dafoe), le physique et le compositeur des bandes sonores Vladimir Wolodarsky (Noah Taylor) et un expert en sécurité brésilienne qui est dédié à chanter dans des thèmes portugais de David Bowie , Pelez deux saints (Seu Jorge), une équipe très particulière.
Le film est dédié à Jacques-Yves Cousteau.