Herman Melville (Ben Whishaw) viaja a la isla de Nantucket para reunirse con Thomas Nickerson (Brendan Gleeson) para hablarle de su tiempo en el barco ballenero Essex. Como está buscando inspiración para su última novela, "Moby Dick", Melville está sumamente fascinado por la historia de la ballena que hundió el barco, pero Tom se niega a hablar de la terrible experiencia, ya que ha estado obsesionado durante décadas por lo que vivió, y por eso envía a Melville lejos. La esposa de Tom (Michelle Fairley) le insta a hablar de lo que pasó para quitarle esto de la conciencia. A regañadientes, Tom decide contarle la historia a Melville. Tom dice que la historia era sobre dos hombres - el Capitán George Pollard (Benjamin Walker) y el Primer Oficial Owen Chase (Chris Hemsworth).

Owen era un granjero y un padre expectante con su esposa Peggy (Charlotte Riley). Esperaba que este fuera el día en que se le diera el puesto de capitán para el viaje del Essex. Sin embargo, cuando le dicen que será primer oficial, no se lo toma muy bien, expresando sus quejas a sus superiores y diciendo que el resto de la tripulación puede no respetar a Pollard por ser inexperto y provenir de una familia rica, lo que Pollard puede oír en la habitación de al lado.

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Owen se despide de Peggy cuando se une a la tripulación para su partida. Ve que el segundo oficial es su amigo Matthew Joy (Cillian Murphy). Owen también conoce a un joven Tom (aquí interpretado por Tom Holland), que ha tomado el puesto de grumete. Hay una tensión inmediata entre Owen y Pollard. La tripulación sale al mar. Por la noche, Tom se enferma, y cuando Owen lo encuentra fuera, cuelga a Tom por la borda de sus pies para curar su mareo. Tom entonces vomita en el pie de Owen.

La tripulación levanta las velas en el viaje. Pollard observa una tormenta en la distancia y deliberadamente ordena a la tripulación que la atraviese para estar mejor preparados para las consecuencias peligrosas, a pesar de que Owen dice que deben evitarla. Las fuertes aguas y vientos golpean el barco y las velas, y también hacen que el ancla vuele a bordo y casi aplasta a algunos hombres. Después de que los hombres evadan la tormenta, Owen va a enfrentarse a Pollard por sus acciones. Pollard quiere volver a casa con las manos vacías, pero Owen le recuerda que la reputación de ambos se arruinaría si hicieran tal cosa. Pollard decide continuar con el viaje.

La tripulación se encuentra con un grupo de cachalotes. Los hombres salen en sus barcos para la caza, y Owen lanza un arpón, golpeando a una ballena. La ballena tira de los hombres pero eventualmente se desprende de la pérdida de sangre. A pesar de su victoria, Owen y Tom miran a la ballena muerta con una pizca de remordimiento. Los hombres recogen hasta 47 barriles de aceite de ballena y cortan la grasa de la ballena. Tom tiene la tarea de entrar en la cabeza de la ballena, pero cae y aterriza en los jugos de la ballena.

Después de tres meses en el mar, la tripulación no logra encontrar más éxito, al darse cuenta de que las aguas están despejadas. Se detienen en Ecuador para reabastecerse. Owen, Pollard y Joy se encuentran con un capitán (Jordi Molla) que les dice que busquen un caldo de cultivo en el oeste, pero también les advierte de una ballena demoníaca masiva que atacó a su tripulación.

La tripulación del Essex regresa al mar para encontrar el caldo de cultivo. Lo encuentran, pero pronto se encuentran con la enorme ballena. Se estrella contra el barco y golpea a varios hombres en el agua, mientras que también se rompe debajo del barco y hace que empiece a hundirse. Utiliza su cola para golpear el agua y los golpea aún más. Eventualmente, el aceite se enciende y causa un incendio que hace que el barco se hunda más rápido. Los miembros de la tripulación supervivientes suben a tres barcos separados y salen.

El primo de Pollard, Henry Coffin (Frank Dillane), culpa a Owen de su desgracia y le apunta con un arma. Los otros hombres lo convencen frenéticamente y le quitan el arma antes de que dispare a nadie.

El viejo Tom se siente abrumado y no quiere continuar la historia. Melville le implora que termine, afirmando que todos los hombres tienen oscuros secretos que les persiguen. Tom le pregunta a Melville cuál es el suyo, y Melville admite que no cree que sea un buen escritor, que la historia de los Essex le ha perseguido durante un tiempo, y que se siente decidido a terminar de escribir su novela. Tom decide seguir adelante.

La tripulación se queda varada en el mar por un tiempo hasta que ven una isla en el este. Mientras se dirigen hacia ella, tienen otro encuentro con la ballena, en el que Joy resulta herida. Los hombres recorren la isla en busca de comida y provisiones, y se encuentran con una cueva donde están esparcidos los huesos de otros marineros fallecidos. Se quedan allí durante la noche para descansar y mantenerse calientes. Sabiendo que no sobrevivirán allí mucho más tiempo, Owen opta por irse lo antes posible, mientras que Joy se queda con tres miembros de la tripulación, sabiendo que está debilitado y listo para morir.

El resto de la tripulación regresó al mar en sus barcos. Tratan de racionar su comida, pero finalmente se acaba. Cuando uno de los miembros muere, los sobrevivientes recurren al canibalismo para sobrevivir, hasta que sólo Owen, Pollard y Tom están vivos. El viejo Tom detiene la historia de nuevo, llegando al punto en su historia en el que siente tanto dolor y remordimiento por lo que hizo para sobrevivir. Su esposa lo consuela y le asegura que lo habría amado aunque supiera este secreto antes de casarse.

La ballena regresa hacia el barco de Owen, y mientras él se prepara para atacarlo, simplemente lo observa y ve la herida de arpón en su costado. La deja ir. Más tarde los hombres ven gaviotas volando por encima, lo que significa que están cerca de tierra. Son rescatadas por otro barco y regresan a la isla de Nantucket, donde se ha corrido la voz de la historia del Essex. Owen se reúne con Peggy y finalmente conoce a su hija después de tantos años.

Owen y Pollard son llamados a testificar sobre el hundimiento del Essex. Se les dice que mientan y digan que el barco encalló para no asustar a los potenciales inversores. Pollard está de acuerdo, pero Owen se niega a mentir y se va. Pollard se prepara para testificar y declara que el barco fue hundido por una ballena.

Tom termina su historia y Melville le dice que el libro será ficticio. La escena final muestra a Melville escribiendo "Moby Dick", con el texto diciendo que completó la historia en 1850 y que hizo publicar el libro un año después. Nathaniel Hawthorne, uno de los ídolos de Melville, llamó al libro "La épica de América".