Bastian Bux, de diez años, es un bibliófilo tímido y marginado que vive con su padre viudo. Un día, de camino al colegio, Bastian es perseguido por unos matones, pero escapa escondiéndose en una librería, molestando al librero, el señor Coreander. El interés de Bastian por los libros le lleva a preguntar por el que está leyendo Coreander, pero el librero le desaconseja su lectura, diciendo que no es una historia "segura" como los libros normales. Con su curiosidad despertada, Bastián coge en secreto el libro, titulado La historia interminable, dejando una nota en la que promete devolverlo, y se esconde en el desván de la escuela para leerlo.

El libro describe el mundo fantástico de Fantasía, que está siendo devorado lentamente por una fuerza malévola llamada "La Nada". La Emperatriz Infantil, que gobierna Fantasía, ha caído enferma, y al joven guerrero Atreyu se le encomienda descubrir una cura, creyendo que una vez que la Emperatriz esté bien, la Nada dejará de ser una amenaza. Atreyu recibe un medallón llamado Auryn que puede guiarle y protegerle en su búsqueda. Cuando Atreyu se pone en marcha, la Nada convoca a una criatura viciosa y muy inteligente parecida a un lobo llamada Gmork para que mate a Atreyu.

La búsqueda de Atreyu le lleva al gigantesco consejero con forma de tortuga Morla el Antiguo en los Pantanos de la Tristeza. Aunque el Auryn protege a Atreyu, su amado caballo Artax se pierde en el pantano, y él continúa solo. Morla, que es alérgico a los jóvenes humanos, no tiene las respuestas que Atreyu busca, pero le dirige de mala gana al Oráculo del Sur, a diez mil millas de distancia. Gmork se acerca mientras Atreyu sucumbe al agotamiento tratando de escapar de los Pantanos, pero es salvado por poco por el dragón de la suerte Falkor. Falkor lo lleva a la casa de dos gnomos que viven cerca de las puertas del Oráculo del Sur. Atreyu cruza la primera puerta, pero se queda perplejo cuando la segunda puerta -un espejo que muestra el verdadero yo del espectador- revela a un niño que Bastian reconoce como él mismo. Finalmente, Atreyu se encuentra con el Oráculo del Sur, que le dice que la única forma de salvar a la Emperatriz es encontrar a un niño humano que viva más allá de los límites de Fantasía para darle un nuevo nombre. Atreyu y Falkor huyen, mientras la Nada consume al Oráculo del Sur.

En la huida, Atreyu es arrojado de la espalda de Falkor al Mar de las Posibilidades, perdiendo el Auryn en el proceso. Se despierta en la orilla de unas ruinas abandonadas, donde encuentra varios murales que representan su aventura, incluido uno de Gmork. Gmork se revela entonces y explica que Fantasía representa la imaginación de la humanidad y, por tanto, no tiene límites, mientras que la Nada es una manifestación de la pérdida de las esperanzas y los sueños. Atreyu lucha y mata a Gmork, mientras la Nada comienza a consumir las ruinas.

Falkor consigue recuperar el Auryn y rescatar a Atreyu. Los dos se encuentran en un vacío en el que sólo quedan pequeños fragmentos de Fantasía, temiendo haber fracasado, hasta que divisan la Torre de Marfil de la Emperatriz entre los fragmentos. En su interior, Atreyu se disculpa por haber fallado a la Emperatriz, pero ella le asegura que ha conseguido traer hasta ella a un niño humano que ha estado siguiendo su búsqueda: Bastian. Además, le explica que, al igual que Bastián sigue la historia de Atreyu, "otros" siguen la de Bastián, haciendo que esto forme parte de la Historia Interminable. Mientras la Nada comienza a consumir la Torre, la Emperatriz explica que Bastián debe pronunciar su nuevo nombre para salvar a Fantasía. Incrédulo de haber sido incorporado a la historia, niega que estos hechos hayan ocurrido realmente. Se rinde después de que ella le ruegue directamente que pronuncie su nuevo nombre, corriendo hacia la ventana del ático para gritar "Niño de la Luna".

Bastián se despierta con la Emperatriz, que le entrega un grano de arena, el único resto de Fantasía. La Emperatriz le dice a Bastián que tiene el poder de traer de vuelta a Fantasía con su imaginación. Bastián recrea Fantasía y vuela a lomos de Falkor para ver la tierra y sus habitantes restaurados, incluidos Atreyu y Artax. Cuando Falkor le pregunta cuál será su próximo deseo, Bastian trae a Falkor al mundo real para que persiga a los matones del colegio. La película narra que Bastián tuvo muchos más deseos y aventuras, "pero esa es otra historia".