Steve Z., le chef de l'équipe océanographique "Team Zissou", sait que l'expédition qu'il conduit est sans doute la dernière.
Parmi les membres de son équipe figurent Ned Plimpton, qui est peut-être son fils, Jane Winslett-Richardson, une journaliste enceinte, et Eleanor, sa femme.
Tandis qu'ils affrontent tous les dangers, depuis une mutinerie jusqu'à l'attaque de pirates en passant par un «requin jaguar» plus ou moins imaginaire, Zissou doit constater que tout ne se passe pas comme prévu...