Choć Sky Kapitan i świat jutra nie ma dekoracji i plenerów w dosłownym tych słów znaczeniu, Conran wykorzystuje najnowszą technologię cyfrową, by zanurzyć widza w bogaty, odtworzony z dbałością o najdrobniejszy szczegół świat fantazji naukowej, gdzie ożywają najbardziej niezwykłe historie. Film otwiera panoramiczne ujęcie Nowego Jorku. Ogromny Hindenburg III przycumował na szczycie Empire State Building, najwyżej w świecie położonego lotniska. Z pomrukiem nadciągają chmury burzowe, śnieg zaczyna pokrywać miasto i nagle wstrząsająca wiadomość wypełnia ekran: w tajemniczych okolicznościach zaginęli najwybitniejsi światowi naukowcy. Kiedy zabójcze olbrzymie roboty zaczynają tratować ulice Nowego Jorku, rozrzucając samochody i burząc budynki, Polly Perkins (Gwyneth Paltrow), reporterka z Chronicles rozpoczyna śledztwo. Z pomocą spieszy jej dawna miłość, kapitan H. Joseph Sullivan (Jude Law), zwany Sky Kapitanem, nieustraszony as przestworzy.
Polly i Sky Kapitana czeka wiele przygód. Będą uwięzieni w ogromnej, wstrząsanej eksplozjami, jaskini lodowej w Himalajach. Stoczą walkę z przerażającymi latającymi robotami. Wylądują na ruchomym lądowisku położonym tysiące stóp nad ziemią i będą lecieć pod wodą. Muszą odnaleźć Dr. Totenkopfa, którego zbrodniczy umysł uknuł plan zniszczenia świata.
Czy tych dwoje śmiałków zdoła w porę powstrzymać nieuchwytnego Totenkopfa? Mogąc liczyć na pomoc Franky Cook (Angelina Jolie), odważnej i zabójczo pięknej kapitan żeńskiej eskadry amfibii oraz Dexa (Giovanni Ribisi), technicznego geniusza, Polly Perkins i Sky Kapitan są jedyną nadzieją naszej planety.