En 1869, cuatro años después del final de la Guerra de Secesión, el capitán del ejército estadounidense James T. "Jim" West y el alguacil Artemus Gordon persiguen al ex general confederado "Baño de Sangre" McGrath, responsable de una masacre en New Liberty en la que murieron los padres de West. El presidente Ulysses S. Grant les informa de las desapariciones de los principales científicos de Estados Unidos y de un complot de traición de McGrath, y les encomienda la tarea de encontrar a los científicos.

A bordo de su tren The Wanderer, West y Gordon examinan la cabeza cortada del científico Thaddeus Morton, encontrando una pista que les lleva al Dr. Arliss Loveless, un ex oficial confederado sin piernas y genio de la ingeniería. Al infiltrarse en la plantación de Loveless durante una fiesta, el dúo rescata a una mujer llamada Rita Escobar, que les pide ayuda para rescatar a su padre, Guillermo Escobar, uno de los científicos secuestrados. Loveless hace una demostración de su nueva arma, un tanque a vapor, y enfada a McGrath utilizando a sus soldados para hacer prácticas de tiro. Acusando a McGrath de "traición" por haberse rendido en Appomattox Court House, Loveless le dispara y lo da por muerto. Gordon, West y Rita encuentran al moribundo McGrath, quien les revela que Loveless le incriminó en la masacre. Los tres alcanzan a Loveless en el Wanderer. Tras una breve pelea, Rita libera accidentalmente gas somnífero, que deja inconscientes a West, Gordon y a ella misma.

West y Gordon se despiertan mientras Loveless se aleja en el Wanderer, tomando a Rita como rehén. Anunciando su intención de capturar al presidente Grant en la ceremonia de la espiga dorada, deja al dúo en una trampa mortal de la que escapan por poco. West y Gordon tropiezan con el ferrocarril privado de Loveless, que conduce a su complejo industrial secreto en el Cañón de la Araña, donde son testigos del arma definitiva de Loveless, una gigantesca araña mecánica armada con cañones de nitroglicerina. Loveless utiliza su araña para capturar a Grant y Gordon en la ceremonia, mientras que West es disparado y dado por muerto por una de las secuaces de Loveless tras ser sorprendido colándose en la araña. En su complejo, Loveless anuncia su plan: disolver los Estados Unidos, dividiendo el territorio entre Gran Bretaña, Francia, España, México, los nativos americanos y el propio Loveless, pero Grant se niega a rendirse y Loveless ordena ejecutar a Gordon. Sin embargo, West, que ha sobrevivido a un disparo, se disfraza de bailarina del vientre y distrae a Loveless, lo que permite a Gordon liberar a los cautivos.

Loveless escapa entonces en su araña, llevándose a Grant con él. Vuelve a exigir a Grant que acepte sus condiciones de rendición, pero éste sigue rechazando su ultimátum y Loveless toma represalias destruyendo un pequeño pueblo. Utilizando una máquina voladora "Air Gordon", Gordon y West alcanzan a la araña donde West lucha contra los secuaces de Loveless antes de enfrentarse al propio Loveless, ahora con patas mecánicas. Tras liberar a Grant, Gordon dispara a una de las patas de Loveless, lo que permite a West hacerse con la ventaja. Cuando la araña mecánica se acerca a un acantilado, Loveless dispara a West con el arma oculta que utilizó para matar a McGrath, pero en su lugar golpea la maquinaria de la araña, deteniéndola bruscamente en el borde del cañón. Tanto West como Loveless caen de la araña, pero West sobrevive agarrando una cadena que cuelga de la maquinaria. Grant promueve a Gordon y West como los primeros agentes de su nuevo Servicio Secreto de los Estados Unidos. Después de que Grant parta en el Wanderer, West y Gordon se reúnen con Rita, a la que ambos intentan cortejar, pero ella anuncia que el profesor Escobar es en realidad su marido. Gordon y West se dirigen al atardecer en la araña.