En 1906, l’explorateur britannique Percy Fawcett (Charlie Hunnam) se rend en Amazonie, où il découvre les traces d’une civilisation avancée jusqu’alors inconnue. Au cours des deux années de cette expédition organisée par la Royal Geographical Society, Percy Fawcett et son aide de camp, Henry Costin (Robert Pattinson), cartographient des régions inexplorées de Bolivie, et avec l’aide des tribus locales, remontent le légendaire Rio Verde jusqu’à sa spectaculaire source. C’est là, au coeur de la forêt tropicale, que Fawcett découvre des fragments de poterie érodés qui semblent indiquer la présence d’une cité perdue. Lorsque l’explorateur rentre en Angleterre et annonce avoir découvert une ancienne civilisation sud-américaine qu’il baptise The Lost City of Z, il est tourné en ridicule par les membres de la communauté scientifique, pour qui les populations indigènes ne sont rien d’autre que des « sauvages ». Fawcett mesure également à quel point ses aventures ont affecté sa femme, Nina (Sienna Miller), et leur jeune fils, né en son absence. Avec l’aide et les encouragements de Nina, il défie les sceptiques et organise une seconde expédition à laquelle participe le riche aventurier James Murray (Angus Macfadyen). Au cours de cet éprouvant périple, Fawcett et ses hommes survivent à de puissants rapides, des pluies de flèches, des cannibales, des pluies torrentielles, à la maladie et au manque de nourriture. L’explorateur fait cependant une découverte passionnante : il repère de mystérieuses sculptures réalisées dans la pierre. Malheureusement, il est obligé de rebrousser chemin lorsque James Murray, affaibli, sabote la mission. De retour au Royaume-Uni au commencement de la Première Guerre mondiale, Fawcett ne parvient pas à retrouver ses marques auprès des siens. Il se rend en France pour diriger une brigade d’artillerie dans les tranchées. Des années plus tard, son fils Jack (Tom Holland), jadis plein d’amertume envers son père, le convainc de mettre fin à sa retraite anticipée et de repartir avec lui en Amazonie afin de mettre au jour The Lost City of Z. Quarante millions de lecteurs suivent leurs aventures dans le journal, jusqu’à leur mystérieuse disparition en 1925…