Steve Zissou, le chef de l'équipe océanographique, sait que l'expédition qu'il conduit est sans doute la dernière, et son plus cher désir est de graver son nom dans l'Histoire. Parmi les membres de son équipe figurent Ned Plimpton, son fils, Jane Winslett-Richardson, une journaliste enceinte dépêchée par le magazine Oceanographic Explorer, et Eleanor, sa femme, que l'on prétend être "le cerveau de la Team Zissou". Tandis qu'ils affrontent tous les dangers, depuis une mutinerie jusqu'à l'attaque de pirates en passant par un "requin jaguar" plus ou moins imaginaire, Zissou est bien forcé d'admettre que tout ne peut pas être planifié comme il l'aimerait.