El renombrado oceanógrafo Steve Zissou ha jurado venganza contra un extraño tiburón que devoró a un miembro de su equipo. Junto a sus compañeros habituales, se le unen a la tripulación Ned, un hombre que cree que Zissou es su padre, y Jane, una periodista embarazada por un hombre casado. Juntos viajan al mar, encontrándose con piratas y varias figuras del pasado de Zissou, incluyendo a su distanciada esposa, Eleanor.