El pomposo paleontólogo Rick Marshall tiene un trabajo de bajo nivel en los Pozos de Alquitrán de La Brea, tres años después de que una desastrosa entrevista con Matt Lauer en Today se hiciera viral y arruinara su carrera. La candidata al doctorado Holly Cantrell le dice que sus controvertidas teorías que combinan el tiempo y la paleontología la inspiraron.

Le muestra un fósil con la huella de un mechero que él reconoce como suyo, junto con un cristal convertido en collar que emite una fuerte energía de taquiones. Ella le convence para que termine su amplificador de taquiones y vaya en una expedición a la cueva donde Holly encontró el fósil, en el desierto.

Se adentran en la cueva, con el dueño de la tienda de regalos Will Stanton, donde Marshall detecta altos niveles de taquiones. Al activar el amplificador de taquiones se produce un terremoto que abre un túnel temporal en el que cae la balsa. Se encuentran en un desierto, lleno de objetos de muchas épocas, y sin el amplificador. Rescatan a Cha-Ka, un pakuni (una criatura parecida a un primate), que se convierte en su amigo y guía.

Pasan una noche en una cueva, sobreviviendo a un encuentro con un tiranosaurio al que apodan "Gruñón", que acosa a Marshall por llamarle estúpido. Marshall recibe un mensaje telepático pidiendo ayuda y se encuentra en unas antiguas ruinas. Se encuentran con una raza de hombres lagarto llamados Sleestaks antes de conocer a Enik el Altrusiano (quien envió el mensaje). Exiliado por Zarn, que quiere apoderarse de la Tierra con sus secuaces Sleestak, Enik puede impedir la invasión si Marshall consigue el amplificador de taquiones.

Encuentran un desierto con muchas cosas del otro lado del tiempo, encontrándose con muchos Compsognathus, Dromaeosaurios, Grumpy, y un Allosaurus hembra. Estos dos últimos se pelean por un vendedor de helados muerto hasta que detectan a Marshall y lo persiguen. Éste mata al Allosaurus con nitrógeno líquido, descubriendo que el amplificador fue comido por el Allosaurus. Un pteranodonte lo roba y se lo lleva a su nido. Marshall atraviesa ligeramente los huevos del Pteranodon para recuperar el amplificador en el nido. Cuando lo alcanza, deja de sonar la música (el musical favorito de Marshall, A Chorus Line). Los huevos empiezan a eclosionar y se dan cuenta de que la música mantenía a las crías de pteranodonte dormidas. Marshall, Will y Holly cantan "I Hope I Get It", a la que se une Cha-ka, mostrando una gran voz para cantar.

Marshall, Will y Cha-ka lo celebran, Holly coge un huevo de dinosaurio y se entera, por una grabación dejada por el difunto Zarn, de que Enik miente (es él quien planea la invasión de la Tierra). Es capturada por los Sleestaks y llevada a la Biblioteca de los Cráneos para ser juzgada. Los demás la salvan, pero el villano, con el amplificador, y controlando a los Sleestaks, sale para abrir un portal a la Tierra.

Marshall se mete en la boca de Grumpy y (tras eliminar un bloqueo intestinal), se hace amigo de él. Se une a los demás para derrotar al ejército Sleestak y enfrentarse a Enik. Después de romper el enlace de cristal entre la Tierra de los Perdidos y la Tierra, Enik revela que el portal se cerrará para siempre. Pensando rápido, Marshall coge el cristal de Holly y lo introduce en el puerto. Sabiendo que el cristal sustituto no aguantará mucho tiempo, se marchan rápidamente. Will opta por quedarse, aprendiendo más tarde que las mujeres pakuni son muy atractivas.

Un triunfante Marshall reaparece en el programa "Today" con el huevo de dinosaurio que trajo Holly, promocionando su nuevo libro "Matt Lauer Can Suck It". El huevo que se deja en el plató de "Today" incuba una cría de Sleestak, que sisea cuando la pantalla se queda en negro.