Mientras el oceanógrafo Steve Zissou trabaja en su último documental en el mar, su mejor amigo y jefe de buceadores, Esteban du Plantier, es devorado por una criatura de 10 metros de largo y con manchas luminiscentes que Zissou describe como un "tiburón jaguar". Para su próximo proyecto, Zissou está decidido a documentar la destrucción del tiburón.

La tripulación a bordo del envejecido buque de investigación de Zissou, el Belafonte, incluye a su distanciada esposa Eleanor, estratega jefe y patrocinadora financiera; Pelé dos Santos, un experto en seguridad y guitarrista brasileño que canta canciones de David Bowie en portugués; y Klaus Daimler, el primer oficial alemán que ve a Zissou y Esteban como figuras paternas. Entre los miembros menores de la tripulación se encuentran Vikram Ray, camarógrafo; Bobby Ogata, hombre rana; Vladimir Wolodarsky, físico y compositor de la banda sonora; Renzo Pietro, sonidista; y Anne-Marie Sakowitz, una script girl a la que se ve a menudo en topless. También se incluye un grupo reciente de becarios no remunerados de la Universidad del Norte de Alaska. Sin embargo, la empresa "Team Zissou" ha entrado en declive; no han estrenado un documental de éxito en nueve años.

Ned Plimpton es un viejo fan de Zissou cuya madre ha muerto recientemente, y cree que Zissou es su padre. Tras conocerse en el último estreno de Zissou, Ned se toma un permiso anual de su trabajo como piloto de avión en Kentucky para unirse a su equipo. Como Oseary Drakoulias, el productor de Zissou, no encuentra a nadie que financie su último documental, Ned le ofrece su herencia. Eleanor siente que su marido se está aprovechando de Ned y se marcha. Una reportera embarazada, Jane Winslett-Richardson, acude a hacer la crónica del viaje. Tanto Ned como Zissou se sienten atraídos por Jane y surge una competencia entre ellos. Klaus se pone celoso de la atención que Zissou presta a Ned.

En su misión de encontrar al tiburón jaguar, los Belafonte roban el equipo de rastreo de una estación remota propiedad del oceanógrafo de más éxito en la actualidad (y némesis de Zissou), Alistair Hennessey. A continuación, navegan por aguas desprotegidas y son atacados por piratas filipinos, que roban el dinero de Ned y secuestran a Bill Ubell, un "títere de la compañía de bonos" asignado al proyecto. Hennessey los rescata y los remolca a Port-au-Patois. Sakowitz, junto con todos los becarios menos uno, abandona el barco al llegar a puerto.

Zissou convence a Eleanor para que se reincorpore al Belafonte y dirige a la tripulación en una misión de rescate. Siguen la pista de Bill hasta un hotel abandonado en una isla remota y lo salvan junto con Hennessey, a quien los piratas también han secuestrado. Ned y Zissou realizan entonces una última búsqueda del tiburón en el helicóptero del barco, pero la aeronave funciona mal y se estrellan. Ned muere a causa de sus heridas y es enterrado en el mar. Antes de la muerte de Ned, Eleanor revela a Jane que Zissou es estéril, por lo que Ned no puede ser su hijo.

Zissou finalmente localiza al tiburón en un sumergible, pero decide no matarlo, tanto por su belleza como por no tener más dinamita. En el estreno del documental terminado (que está dedicado a Ned), Zissou recibe una gran ovación mientras espera fuera del cine a que termine el estreno. La tripulación regresa triunfante al barco al día siguiente.