Abertura: O Trem Nazista
O filme começa em 1944, durante a Segunda Guerra Mundial. Indiana Jones (Harrison Ford), ainda jovem, é capturado por soldados nazistas na França. Eles o amarram e se preparam para executá-lo, mas ele consegue escapar em cima de um trem que transporta tesouros saqueados. Entre esses itens está um artefato lendário: a Anticítera, também conhecida como Máquina de Arquimedes. Indy descobre que o vilão Jürgen Voller (Mads Mikkelsen), um cientista nazista obcecado por arqueologia e ciência, também está atrás da peça.
Após uma sequência de ação intensa no trem — com Indy lutando contra soldados, atravessando vagões em movimento e se pendurando em estruturas perigosas — ele consegue recuperar metade do mecanismo e escapar, estabelecendo a importância desse artefato para a trama.
A Vida em Nova York
Corta para 1969. Indiana Jones está envelhecido e amargurado. Trabalha como professor universitário, mas já não é mais respeitado como antes. Ele vive sozinho, divorciado de Marion Ravenwood após a separação causada pelo luto da perda do filho deles, Mutt, morto na Guerra do Vietnã. A cidade de Nova York está em festa pelo retorno dos astronautas da Apollo 11, mas Indy se sente deslocado nesse mundo moderno.
O Retorno de Helena Shaw
Durante uma aula entediante, uma aluna especial surge: Helena Shaw (Phoebe Waller-Bridge), afilhada de Indiana Jones e filha de seu antigo amigo Basil Shaw. Ela está interessada justamente na Anticítera, que Basil e Indy haviam encontrado no trem nazista. Helena demonstra ter estudado o objeto, mas suas intenções não são tão puras quanto parecem.
A Emboscada no Museu
Helena convence Indy a mostrar a peça guardada, mas é nesse momento que os capangas de Voller reaparecem. Voller sobreviveu à guerra e agora trabalha secretamente para os Estados Unidos dentro do programa espacial, mas ainda é leal à ideologia nazista. Uma perseguição começa dentro do museu, com Indy tentando proteger o artefato. Scooters, carros e tiroteios pelas ruas de Nova York se misturam em uma sequência eletrizante. Helena, no entanto, foge com metade da Anticítera para vendê-la no mercado negro.
A Caçada na Tânger
Indiana Jones segue Helena até o Marrocos. Lá, ele descobre que ela está envolvida em leilões ilegais de antiguidades. Durante um desses leilões, Helena tenta vender a peça, mas é surpreendida pela chegada dos homens de Voller. Indy e Helena se veem obrigados a se unir para sobreviver. Surge então um novo aliado: o jovem Teddy (Ethann Isidore), parceiro de golpes de Helena, que lembra a relação entre Indy e Short Round em Indiana Jones e o Templo da Perdição. Após uma perseguição caótica de tuk-tuks pelas ruas da Tânger, eles escapam por pouco.
As Pistas Submersas
As investigações levam o trio até a Grécia. Eles precisam encontrar a segunda metade da Anticítera, escondida em uma caverna submersa. Em uma sequência tensa de mergulho, eles exploram ruínas antigas debaixo d’água, enfrentando armadilhas naturais e até enguias, que aterrorizam Indy — substituindo o clássico medo de cobras. Voller e seus capangas chegam logo depois, mas Indy e Helena conseguem recuperar a segunda metade da máquina.
A Tragédia no Navio
Durante a fuga, os vilões interceptam o grupo em alto-mar. Voller consegue capturar Helena e Teddy, deixando Indy ferido e sem esperanças. É nesse momento que o peso da idade e do passado o abatem. No entanto, Helena não desiste e consegue escapar, reunindo-se novamente com Indy para impedir o plano nazista.
O Plano de Voller
Voller revela sua verdadeira ambição: usar a Anticítera para viajar no tempo. Ele acredita que pode voltar a 1939, matar Hitler e liderar a Alemanha nazista para vencer a guerra. A arrogância do cientista mostra o quanto ele acredita no poder do mecanismo de Arquimedes.
A Viagem Temporal
Indy, Helena, Teddy, Voller e os capangas embarcam em um avião com a Anticítera montada. Durante a turbulenta travessia temporal, eles são sugados por uma fenda no céu. Ao invés de 1939, o grupo acaba indo parar na Batalha de Siracusa, em 212 a.C., no auge do cerco romano. O cálculo de Voller estava errado, pois Arquimedes havia ajustado a máquina especificamente para aquela data histórica.
O Encontro com Arquimedes
Em meio à guerra, com catapultas e soldados em confronto, Indy e Helena testemunham o caos da antiguidade. Eles chegam a conhecer o próprio Arquimedes, que observa o avião abatido. Voller morre quando sua aeronave é destruída pelos romanos, encerrando seu delírio nazista.
Indy, gravemente ferido e emocionado, deseja permanecer naquele tempo. Ele sente que não pertence mais ao mundo moderno e gostaria de morrer como parte da história que sempre estudou. Mas Helena se recusa a deixá-lo para trás. Com lágrimas, ela nocauteia Indy e o leva de volta à sua época.
O Retorno a 1969
De volta ao presente, Indiana Jones acorda em seu apartamento. Marion aparece — os dois finalmente se reconciliam, curando a dor do luto pela perda do filho. Helena e Teddy também estão presentes, agora como novos parceiros de Indy. O filme termina com um ar de renovação, mostrando que, apesar da idade e das perdas, Indiana Jones ainda é o herói que enfrentou nazistas, sobreviveu a armadilhas e desafiou o tempo.