Steve Zissou (Bill Murray) é um lendário explorador subaquático e diretor de uma série de documentários sobre a vida no mar; No entanto, ele não está vivendo o seu melhor: sua popularidade está em “ondas baixas”. Sua melhor amiga e parceira, Esteban (Seymour Cassel), foi devorado por uma estranha espécie de tubarão, e um piloto de ar, Plimpton Ned (Owen Wilson) aparece, o que garante o filho que ele nunca sabia.
Zissou pretende ir em busca do tubarão de Jaguar que assassinou seu melhor amigo para transformá-lo na estrela do seu próximo documentário e vingar a morte de seu amigo. Na expedição organizada por seu navio, a Belafonte, irá acompanhá-lo, entre outros, seu suposto Filho, tornou-se produtora do documentário, sua esposa Eleanor (ANJELIC HUSTON), que é também o vice-presidente de sua empresa, uma jornalista grávida Quem cobre a aventura da expedição (Cate Blanchett), um engenheiro alemão afetuoso (Willem Dafoe), o físico e compositor das trilhas sonoras Vladimir Wolodarsky (Noah Taylor) e um especialista em segurança brasileira que é dedicado a cantar em temas portugueses por David Bowie , Descasque dois santos (SEU Jorge), uma tripulação muito peculiar.
O filme é dedicado a Jacques-Yves Cousteau.