Varsovia, 1939. Al comienzo de la Segunda Guerra Mundial, durante la invasión de Polonia, el jardín zoológico de la capital polaca también sufre los bombardeos de la Luftwaffe. Muchos de los animales murieron bajo las bombas, otros se escaparon de sus jaulas y algunos fueron fusilados por soldados polacos. Cuando los alemanes entran en la ciudad, las jaulas son requisadas para el almacenamiento temporal de armas y municiones. Antonina Żabińska y su marido Jan Żabiński, director del zoo, tienen que renunciar incluso a los supervivientes cuando el científico Lutz Heck, antiguo director del zoo de Berlín y ahora oficial de las SS nombrado zoólogo jefe de la Alemania nazi, anuncia que el zoo será liquidado. Sin embargo, Heck le promete a Antonina que salvará a los animales más valiosos llevándolos a Alemania y los devolverá cuando termine la guerra.

Tras la salida de los mejores ejemplares y la matanza del resto, Antonina y Jan se preguntan por su propio futuro y por la suerte de los judíos encerrados en el gueto en condiciones desesperadas. Proponen a Heck mantener el zoo en funcionamiento convirtiéndolo en una granja de cerdos que se alimentarán con las sobras recogidas en el gueto. Heck acepta la idea y también piensa en una granja de uros, ya que está ocupado tratando de reproducir el animal extinto mediante el cruce de varios tipos de ganado. Jan se ríe de esta última idea, pero Antonina halaga al alemán con su sonrisa y Heck, enamorado de ella, intenta después seducirla.

Antes de que comiencen las deportaciones, gracias a la tapadera de su nuevo negocio en el zoo y a la confianza depositada en ellos por los nazis, la pareja se lleva a cientos de judíos del gueto y, haciéndolos pasar por los pasillos que hay detrás de las jaulas de los animales, los esconden en los sótanos de su casa hasta que pueden escapar con documentos falsos.

En 1944, con los soldados rusos a las puertas, durante el Levantamiento de Varsovia, la ciudad es pasada a cuchillo y Jan participa en acciones de guerrilla contra los nazis: durante una de ellas es herido y detenido.

Al final de la guerra, la vida retoma su curso y el zoológico se reconstruye.