Océanologue mondialement connu, Steve Zissou (Bill Murray) et son équipe, la « Team Zissou », partent à la recherche du mystérieux « requin jaguar » afin de graver à jamais son nom dans l'histoire de l'océanographie. En chemin, ils sont rejoints par Ned Plimpton (Owen Wilson), un jeune pilote de ligne qui pourrait bien être le fils de Steve, Jane Winslett-Richardson (Cate Blanchett), une journaliste dépêchée par le magazine "Oceanographic Explorer", et Eleanor (Anjelica Huston), la femme de Steve. De multiples péripéties les attendent en chemin, parmi lesquelles une mutinerie, des enlèvements ou encore une attaque de pirates…