En 1905, Percy Fawcett es un joven oficial británico que participa en una cacería de ciervos en una finca irlandesa en beneficio del archiduque Francisco Fernando de Austria, que está de visita. Como buen jinete y tirador, consigue abatir el ciervo rápidamente, pero es desairado en la fiesta posterior a la cacería. Un año después, Fawcett es enviado a Londres para reunirse con funcionarios de la Royal Geographical Society (RGS). Los gobiernos de Bolivia y Brasil están a punto de entrar en guerra por la ubicación de su frontera mutua y su efecto directo en el lucrativo comercio de caucho de la región, y han pedido al gobierno británico que la inspeccione. Fawcett acepta dirigir el grupo de reconocimiento para restaurar el buen nombre de su familia. A bordo de un barco con destino a Brasil, Fawcett conoce al cabo Henry Costin, conocedor de la selva amazónica. En una gran plantación de caucho en la selva, propiedad del noble portugués Barón de Gondoris, ambos se encuentran con el cabo primero Arthur Manley,[a] quien les dice que el gobierno británico desaconseja seguir explorando. Fawcett, con varios guías y el explorador amazónico Tadjui, completa la misión. Tadjui le cuenta a Fawcett historias sobre una ciudad de la selva cubierta de oro y llena de gente. Fawcett descarta esas historias como desvaríos, pero descubre en la selva cerámica rota muy avanzada y algunas pequeñas estatuas de piedra que le convencen de la veracidad de la historia de Tadjui.

A su regreso, Fawcett es alabado, ya que su mujer, Nina, ha dado a luz a su segundo hijo. En la biblioteca del Trinity College de Dublín, Nina descubre un texto de los conquistadores que habla de una ciudad en las profundidades de la selva amazónica. Fawcett conoce al renombrado biólogo James Murray, que acepta respaldar la expedición de Fawcett al Amazonas para encontrar lo que Fawcett llama "la Ciudad Perdida de Z". Fawcett intenta convencer a los miembros de la RGS para que apoyen la expedición, pero es ridiculizado públicamente. Sin embargo, la RGS respalda la expedición para seguir explorando la cuenca del Amazonas. Murray, que no está familiarizado con los rigores de la selva profunda, ralentiza considerablemente el grupo. El grupo de Fawcett es atacado mientras viaja por el río. Sin embargo, Fawcett hace las paces con los nativos. Murray sufre una herida en la pierna que se infecta gravemente y comienza a enloquecer. Fawcett le envía con un guía nativo y el último animal de carga del grupo para que busque ayuda. El equipo de Fawcett se ve obligado a abandonar la expedición tras descubrir que Murray vertió parafina en las provisiones que les quedaban.

Murray sobrevive y, ante los administradores de la RGS, acusa a Fawcett de abandonarle en la selva y le exige una disculpa. Fawcett opta por dimitir de la sociedad en lugar de disculparse. La Primera Guerra Mundial estalla en Europa y Fawcett va a Francia a luchar. Manley muere en las trincheras de la Batalla del Somme, y Fawcett queda temporalmente ciego en un ataque con gas cloro, mientras dirige un ataque de infantería. El hijo mayor de Fawcett, Jack, que durante mucho tiempo había acusado a Fawcett de abandonar a la familia, se reconcilia con su padre cuando éste se recupera.

En 1923, Fawcett vive en la oscuridad en Inglaterra. El interés de los norteamericanos por la exploración del Amazonas ha alcanzado su punto álgido, principalmente debido a las historias de Fawcett sobre la ciudad perdida. John D. Rockefeller Jr. y un consorcio de periódicos estadounidenses financian una nueva expedición de Fawcett. La RGS cofinancia la expedición en el último momento para mantener el orgullo británico. Fawcett muestra a Sir John Scott Keltie una brújula, informando a Keltie de que si él (Fawcett) encuentra la ciudad perdida, la brújula será enviada a Inglaterra. Fawcett y su hijo tienen la intención de ir solos esta vez, viajando lo más ligero posible durante tres años para encontrar "Z". Fawcett invita a Costin, pero éste declina. Fawcett y Jack son atacados por los nativos y escapan, sólo para ser emboscados de nuevo. Esta segunda tribu escucha a los Fawcett, pero los desconcierta, al notar que sus espíritus no son del todo de su mundo, pero tampoco del todo del Amazonas. Declaran que los espíritus de los Fawcetts "deben pertenecer" a alguna parte y que les ayudarán a encontrar el lugar que les corresponde. Fawcett y Jack son drogados durante una ceremonia y llevados lejos.

Algunos años más tarde, Nina Fawcett se reúne con Keltie en el RGS, afirmando que ha oído que Fawcett y Jack siguen vivos y viven entre la gente de la tribu. La RGS, que ha enviado a más de cien personas a buscar a Fawcett en los años transcurridos, se niega a enviar otra expedición. Keltie aconseja a Nina que acepte la muerte de su marido, pero ella se niega. En cambio, Nina abre su bolso para darle a Keltie la brújula que Fawcett había prometido enviar si encontraba la ciudad perdida. Cuando Nina se marcha, su reflejo en un espejo la muestra caminando hacia lo que parece la selva amazónica.