在平行时空的1930年代，科技高度发达的纽约城突遭巨型飞行机械兽的袭击，整座城市陷入恐慌。飞行员约瑟夫·苏立文，人称“天空上尉”，在危急时刻驾驶自制的喷气战机升空，以超凡的飞行技术击退部分敌机，暂时平息了混乱。

战斗中，他救下机智敏锐的记者波莉·帕金斯，却发现她手中握有一张关乎世界命运的线索图。原来，这场袭击只是邪恶科学家托顿博士的阴谋开端，他企图利用神秘能量控制全球。

为阻止托顿，上尉与波莉结伴踏上横跨全球的冒险之旅，从纽约摩天楼到喜马拉雅雪山，再到深海潜艇基地。他们一路遭遇机械巨兽、克隆士兵和空中海盗的追杀，也在并肩作战中萌生情愫。

最终，上尉凭借勇气与智慧，闯入托顿的空中堡垒，展开一场决定人类未来的终极对决。影片以复古未来主义美学、绿幕特效和全明星阵容，打造出一部充满想象力与怀旧情怀的科幻动作大片。