Una nave espacial alienígena se estrella cerca de Searchlight, Nevada, a 45 millas de Las Vegas. El Proyecto Polvo de Luna, una unidad secreta del Departamento de Defensa dirigida por Henry Burke, llega al lugar del accidente en helicópteros negros. Los hombres de negro se apoderan de la nave espacial y buscan a sus pasajeros con la intención de aprovechar su ADN y sus poderes.

De vuelta a Las Vegas, Jack Bruno, un antiguo conductor de fuga de la mafia, trabaja como taxista para evitar volver a la cárcel. Uno de sus pasajeros es el Dr. Alex Friedman, un astrofísico fracasado que ha llegado a Las Vegas para hablar en una convención sobre ovnis en el hotel Planet Hollywood.

Tras rechazar a dos matones que buscan sus servicios para un jefe de la mafia llamado Andrew Wolfe, Bruno encuentra a dos adolescentes, Sara y Seth, en su taxi. Le ofrecen 15.000 dólares por llevarlos a un destino desconocido. Los hombres de Burke rastrean a los adolescentes (que resultan ser los pasajeros de la nave espacial) a través de varios descubrimientos, como ropa robada, un coche asaltado, un autobús que lleva a Las Vegas y un cajero automático desprovisto de todo su contenido, lo que finalmente señala su ubicación en el taxi de Bruno. Se enfrentan a Bruno en una persecución a gran velocidad. Al confundir a los agentes del gobierno con más matones de la mafia, intenta evadirlos con sus habilidades de conducción. La capacidad de Seth de variar su densidad molecular, así como la telepatía y la telequinesis de Sara, ayudan al grupo a escapar.

Cuando llegan a una casa abandonada, Bruno les sigue por preocupación y curiosidad. Los adolescentes recuperan el dispositivo que buscaban dentro de un laboratorio subterráneo oculto, pero los tres son atacados por el "Sifón", un poderoso asesino alienígena blindado. El Sifón persigue al grupo hasta que su nave espacial se estrella contra un tren y la criatura resulta herida. Después de que Seth y Sara prueben su biología de otro mundo a Bruno, los tres se instalan en una cafetería para calmar sus nervios, sólo para ser rastreados por los agentes de Burke y escapar de ellos de nuevo.

Bruno lleva a Seth y a Sara ante el Dr. Friedman en la convención de ovnis. A pesar de descartar inicialmente la historia de Bruno, ella le cree después de que Seth y Sara muestren sus poderes y narren su situación actual: son alienígenas de un planeta moribundo situado a 3.000 años luz de la Tierra, y son capaces de viajar utilizando agujeros de gusano en sus naves espaciales. Su gobierno pretende invadir la Tierra, a pesar de que la mayoría de su raza se opone totalmente al plan, para que su especie pueda sobrevivir. Los padres de Seth y Sara son científicos que buscaban una forma de salvar su planeta sin necesidad de una invasión, pero fueron detenidos antes de completar su experimento. Los adolescentes vinieron a recuperar los resultados exitosos, pero el gobierno alienígena (que sigue teniendo como objetivo invadir la Tierra en lugar de intentar salvar su planeta natal) envió el Sifón para detenerlos. Para salvar ambos mundos, deben recuperar su nave espacial y volver a casa con los resultados para evitar que se produzca la invasión.

Friedman se da cuenta entonces de que los adolescentes son lo que ha estado buscando y se une al grupo. Se encuentran con su colega el Dr. Donald Harlan, teórico de las conspiraciones y de los ovnis, que les dice que la nave espacial fue llevada a la base secreta del gobierno estadounidense llamada Witch Mountain. Harlan y sus hombres distraen a los soldados con el taxi de Bruno mientras los demás escapan a Witch Mountain en el vehículo recreativo de Harlan tras evadir el Sifón. El grupo llega a la base, pero es capturado por Burke. Éste ordena que los adolescentes sean preparados para la vivisección, pero libera a los adultos ya que nadie les creerá.

El Sifón ataca la Montaña de las Brujas y se enfrenta a los soldados, lo que permite a Bruno y Friedman infiltrarse en la base y liberar a Seth y Sara. Lanzan la nave, escapan por los túneles de la montaña y finalmente matan a El Sifón, que se ha escondido en la nave espacial. Los adolescentes entregan a Bruno y Friedman un dispositivo de seguimiento que permitirá a los alienígenas encontrarlos siempre. Se despiden con lágrimas en los ojos, pero no antes de que Sara le dé sus poderes telepáticos a Bruno.

Unas semanas después, Bruno y Friedman se convierten en autores de éxito de un libro titulado Race to Witch Mountain: Una historia real. Promocionan su libro y sus conocimientos en el circuito de convenciones sobre ovnis, explicando que la publicidad les protege de las represalias del gobierno. Al salir de la convención, el dispositivo alienígena se activa, lo que implica que los adolescentes alienígenas pueden estar regresando a la Tierra.