Londres, 1912. Edward Malone, du Daily Gazette, est envoyé par son rédacteur-en-chef interviewer le terrible professeur George Challenger, dont la réputation est entachée par de nombreux scandales à la suite de bagarres avec des journalistes. Malone se fait passer pour un jeune étudiant pour mieux berner le professeur, mais il est rapidement démasqué : les deux hommes en viennent aux mains. Le journaliste refuse pourtant de porter plainte, ce qui amène le professeur à lui révéler sa découverte concernant l'existence de dinosaures encore vivants en Amérique du Sud d'après le carnet d'un certain Maple White, un explorateur ayant vu des choses formidables sur un haut-plateau coupé du monde moderne. Challenger met sur pied une expédition pour rapporter des preuves à la communauté scientifique sceptique. Malone accepte de se joindre à lui pour couvrir l'évènement en correspondant par lettres à la Gazette, mais aussi pour obtenir la main de sa fiancée Gladys en se distinguant par un acte héroïque. Lord John Roxton, chasseur émérite, ainsi que le professeur Summerlee, confrère et rival de Challenger, sont également de la partie. Après une longue traversée en cargo, puis en pirogue, les quatre explorateurs et leurs guides indigènes s'enfoncent au-delà du bassin de l'Amazone.