Por razones desconocidas, el núcleo interior de la Tierra ha dejado de rotar, provocando el rápido deterioro del campo electromagnético del planeta. De forma instantánea comienza a cambiar la vida en el globo. En Boston, mueren de forma súbita 32 personas con marcapasos que vivían todas ellas en un radio de diez manzanas de la ciudad. En San Francisco se hunde el puente del Golden Gate sumergiendo consigo a cientos de personas. En la londinense Trafalgar Square bandadas enteras de palomas pierden de pronto su capacidad de navegación y se ponen a volar poseídas por el pánico, chocando contra los parabrisas de los coches y haciendo que los conductores pierdan el control del vehículo. Y en Roma los muros del viejo Coliseo Romano se desploman de pronto ante miles de atónitos turistas.

Para buscar una solución a esta crisis el gobierno y el estamento militar piden ayuda al geofísico Dr. Josh Keyes (Aaron Eckhart) y a un grupo formado por los mejores científicos mundiales: deberán viajar al centro de la Tierra en un vehículo subterráneo al mando de dos terranautas, la mayor Rebecca "Beck" Childs (Hilary Swank) y el comandante Robert Iverson (Bruce Greenwood). Su misión es la de detonar un dispositivo nuclear que servirá para reactivar el núcleo y así salvar al mundo entero de una destrucción segura.

El planeta Tierra se ve devastado por una serie de catástrofes inexplicables. El geofísico Dr. Josh Keyes (Aaron Eckhart) y el experto francés en armas nucleares Dr. Sergei Leveque (Tchéky Karyo) son llamados a Washington por el general Thomas Purcell (Richard Jenkins) para determinar si lo que sucede es obra de una acción enemiga. Al frente de su equipo de la universidad de Illinois, Keyes descubre el misterio que se oculta tras esta serie de tragedias: es algo más aterrador que cualquier acto de guerra... El núcleo interior de la Tierra ha dejado de rotar y a causa de ello el campo electromagnético del planeta, que le protege de la radiación solar, se ha colapsado. Si no se resuelve rápidamente el problema, los aviones empezarán a caerse y todos los aparatos electrónicos quedarán destruidos. La descarga estática en la atmósfera creará "super tormentas" que provocarán una lluvia de rayos por metro cuadrado y, lo peor de todo, la radiación de microondas abrasará literalmente el planeta.

Aterrado por este descubrimiento, Keyes consulta la opinión del famoso geofísico Dr. Conrad Zimsky (Stanley Tucci), un arrogante científico que llega a la misma terrible conclusión: la única forma de reactivar el núcleo es viajar hasta él. Pero ¿cómo? El hombre ha andado sobre la Luna y aterrizado en Marte pero nadie se ha atrevido a explorar las zonas más profundas de la Tierra... Hasta ahora.

Instalado en un lugar remoto del desierto de Utah, un científico brillante, el Dr. Ed "Braz" Brazzelton (Delroy Lindo) ha desarrollado un vehículo subterráneo que puede penetrar en la superficie del planeta, llegando hasta su núcleo. Keyes forma un equipo de científicos y astronautas al que se agregan los primeros terranautas de la historia, la mayor Rebecca "Beck" Childs (Hilary Swank) y el comandante Robert Iverson (Bruce Greenwood). Deben viajar en este vehículo de alta tecnología hasta llegar al interior de la Tierra y hacer detonar un dispositivo nuclear que consiga devolver su equilibrio al planeta. Es el acto de fe definitivo... un salto no hacia el espacio exterior sino hacia el interior, un viaje hacia una frontera desconocida que ningún hombre había cruzado hasta ahora.