Пытаясь добиться расположения красавицы Глэдис, молодой журналист-ирландец Эдуард Мелоун просит своего издателя дать ему какое-нибудь «опасное задание». Редактор Мак-Ардл даёт ему поручение взять интервью у нелюдимого и чудаковатого профессора Джорджа Челленджера, известного скандалиста и ненавистника журналистов. Первая же встреча Мелоуна с профессором заканчивается дракой, однако, Мелоуну удается добиться симпатии Челленджера, не подав полицейскому жалобу. Профессор объясняет журналисту причину его несогласий с ученым миром — однажды, во время поездки по Южной Америке, учёный обнаружил в маленькой деревне тело натуралиста по имени Мепл-Уайт. Изучив дневник покойного, Челленджер обнаружил, что в нём есть зарисовки совершенно неисследованной местности, а также динозавров рядом с людьми. Пользуясь дневником, профессор совершил поход в указанное место, которого местные туземцы сильно боятся, считая его обиталищем злого духа Курупури, и обнаружил гигантское плато, где подстрелил животное, оказавшееся доисторическим птеродактилем. С собой он привез крыло ящера и несколько фотографий — довольно слабые доказательства в пользу его теории.

На лекции в Музее естествознания Челленджера обвиняют в том, что он выдумал открытое им плато и фальсифицировал доказательства. Он заявляет о готовности совершить повторную экспедицию на плато с тем, чтобы объективные свидетели подтвердили его слова. В экспедицию вместе с ним вызываются ехать скептически настроенный учёный профессор Саммерли, знаменитый охотник и путешественник лорд Джон Рокстон и Мелоун.

Исследователи отправляются в Бразилию и поднимаются вверх по Амазонке, сопровождаемые местными индейцами и негром Самбо. Пройдя по указанному Челленджером маршруту, экспедиция обнаруживает плато, но это не уменьшает скептицизма Саммерли, что вызывает ссору между учёными. Экспедиция обходит плато кругом, но подняться наверх невозможно, а пещера, через которую поднялся Мепл-Уайт, завалена. Вечером герои жарят полтуши свиньи на вертеле, но внезапно появившийся птеродактиль уносит их ужин, и Саммерли признаёт правоту Челленджера. Челленджер достойно, без какого-либо злорадства, дружески пожимает руку Саммерли. Группе удается взобраться на утёс, стоящий рядом с плато, и свалить на другую сторону дерево. Как только они переходят на плато, метис Гомес сталкивает дерево в пропасть, отрезая англичан от спасения. Гомес таким образом мстит лорду Рокстону за смерть своего брата-работорговца. Ответив предателю метким выстрелом из ружья, четверо британцев идут вглубь плато, где, к великой радости Челленджера, встречают живых динозавров. Но вскоре путешественникам приходится вступить в серьёзную борьбу за выживание среди плотоядных аллозавров (или мегалозавров), летучих птеродактилей, свирепых обезьянолюдей — далёких предков человека — и попавшего на это плато (в давние времена) племени индейцев. Обезьянолюди проявляют враждебность, и путешественники заключают союз с индейцами; в результате их похода большинство обезьянолюдей уничтожаются, а оставшиеся попадают в рабство. После исследования плато экспедиции удаётся спуститься вниз, используя путь через пещеры, указанный им одним из индейцев.

На заседании в Музее естествознания соратники Челленджера подтверждают рассказ профессора, но теперь не верят уже им. Тогда профессор в качестве доказательства демонстрирует пойманного им на плато живого птеродактиля.

Прославившись, Мелоун приезжает к своей любимой Глэдис и узнаёт, что пока он путешествовал, она успела стать женой письмоводителя в нотариальной конторе. Она объясняет это следующим образом: «Ваше чувство было, вероятно, не очень глубоко, если вы могли бросить меня здесь одну и уехать куда-то на край света». Огорчённый Меллоун принимает решение присоединиться к лорду Рокстону, который планирует ещё одну экспедицию на плато.