En enero de 1994, el submarino estadounidense de clase Ohio, USS Montana, tiene un encuentro con un objeto sumergido no identificado y se hunde cerca de la Fosa de las Caimán. Con barcos soviéticos moviéndose para intentar recuperar el submarino y un huracán aproximándose a la zona, el gobierno de EE. UU. envía un equipo de SEALs a Deep Core, una plataforma experimental de perforación submarina privada cerca de la Fosa de las Caimán, para utilizarla como base de operaciones. La diseñadora de la plataforma, la Dra. Lindsey Brigman, insiste en acompañar al equipo SEAL, aunque su esposo separado, Virgil "Bud" Brigman, es el capataz actual.

El misterio del Montana

Durante la investigación inicial del Montana, un corte de energía en los sumergibles del equipo lleva a Lindsey a ver una extraña luz que rodea al submarino, a la que posteriormente llama una "inteligencia no terrestre" o "NTI". El teniente Hiram Coffey, líder del equipo SEAL, recibe órdenes de acelerar la misión y toma uno de los mini-submarinos sin el permiso de Deep Core para recuperar una ojiva de misiles Trident del Montana, justo cuando la tormenta golpea la superficie. Esto deja a la tripulación incapaz de desconectarse a tiempo de su barco de apoyo en la superficie. La grúa se desprende del barco y cae en la fosa, arrastrando a Deep Core hasta el borde antes de detenerse. La plataforma queda parcialmente inundada, matando a varios miembros de la tripulación y dañando sus sistemas de energía.

El enfrentamiento con los NTIs

La tripulación espera que pase la tormenta para poder restablecer las comunicaciones y ser rescatados. Mientras luchan contra el frío, descubren que los NTIs han formado una columna animada de agua para explorar la plataforma, a la que equiparan con una versión alienígena de un vehículo operado a distancia. Aunque lo tratan con curiosidad, Coffey, agitado, la corta por la mitad cerrando una compuerta de presión, haciendo que se retire. Al darse cuenta de que Coffey sufre paranoia debido al síndrome nervioso por alta presión, la tripulación lo vigila a través de un vehículo operado a distancia (ROV), descubriendo que él y otro SEAL están armando la ojiva para atacar a los NTIs. Para intentar detenerlo, Bud pelea con Coffey, pero este logra escapar en un mini-submarino con la ojiva lista para detonar. Bud y Lindsey lo persiguen en el otro submarino, dañando ambos. Coffey logra lanzar la ojiva en la fosa, pero su submarino se desplaza por el borde y se implosiona debido a la presión, matándolo. El mini-submarino de Bud queda inoperable y comienza a inundarse. Con solo un traje de buceo funcional, Lindsey opta por ahogarse, esperando entrar en una hipotermia profunda cuando el agua fría del océano la envuelva, con la esperanza de poder ser resucitada. Bud nada de regreso a la plataforma con su cuerpo; allí, él y la tripulación usan un desfibrilador y le administran RCP, logrando revivirla.

La misión final: Desactivar la ojiva

Se decide que deben desactivar la ojiva, que se encuentra a más de 3.2 km de profundidad. Uno de los SEALs, el alférez Monk, ayuda a Bud a usar un traje de buceo experimental equipado con un aparato de respiración líquida para sobrevivir a esa profundidad, aunque solo podrá comunicarse a través de un teclado en el traje. Bud comienza su descenso, asistido por la voz de Lindsey para mantenerlo coherente ante los efectos de la creciente presión, y logra alcanzar la ojiva. Monk lo guía con éxito en su desactivación. Con poco oxígeno restante en el sistema, Bud explica que sabía que era un viaje sin retorno y le dice a Lindsey que la ama. Mientras espera la muerte, un NTI se acerca a Bud, toma su mano y lo guía hacia una enorme ciudad alienígena en lo profundo de la fosa. Dentro, los NTIs crean una burbuja atmosférica para Bud, permitiéndole respirar normalmente. Luego, los NTIs reproducen el mensaje de Bud a su esposa y se miran entre sí con comprensión.

El rescate

En Deep Core, la tripulación espera ser rescatada cuando ven un mensaje de Bud diciendo que ha conocido a unos amigos y les advierte que se sujeten. La base tiembla, y luces provenientes de la fosa anuncian la llegada de la nave alienígena. Esta emerge a la superficie del océano, con Deep Core y varios de los barcos en la superficie varados en su casco. La tripulación de Deep Core sale de la plataforma, sorprendida de no estar muerta por la descompresión repentina. Ven a Bud caminando fuera de la nave alienígena, y Lindsey corre a abrazarlo.

Final de la versión extendida de Abyss

En la versión extendida, los eventos de la película se desarrollan en un contexto de conflicto entre los Estados Unidos y la Unión Soviética, con el potencial de una guerra total. El hundimiento del Montana intensifica aún más la agresión. Además, hay más conflicto entre Bud y Lindsey con respecto a su relación pasada. La adición principal es el final: cuando Bud es llevado a la nave alienígena, los extraterrestres comienzan mostrando imágenes de guerras y agresiones de fuentes de noticias de todo el mundo. Luego, los alienígenas crean megatsunamis masivos que amenazan las costas del mundo, pero los detienen justo antes de que golpeen. Bud pregunta por qué los humanos fueron perdonados, y los alienígenas le muestran su mensaje a Lindsey antes de llevar a Bud, la nave alienígena y Deep Core a la superficie.