美國核潛艇蒙坦娜號在深海追蹤不明物體時失蹤，高壓潛水鉆臺"深海之心號"工頭巴德（艾德·哈里斯飾）奉命配合科菲上尉（邁克爾·比恩飾）執行營救任務。與巴德關系緊張的妻子琳西（瑪麗·伊麗莎白·馬斯特蘭托尼奧飾）作為石油公司工程師也參與行動。三人救援隊潛至海底深淵邊緣時，發現潛艇內全員離奇死亡，更遭遇具有高度智慧的未知外星生物。科菲上尉在恐慌中認定蘇聯策劃陰謀，試圖向不明生物發射核彈。巴德與琳西阻止未果，在氧氣即將耗盡的危急時刻，巴德冒險潛入深淵拆除核彈引信。瀕死之際，外星生物以特殊方式向巴德輸送氧氣，并運用先進技術化解核威脅。最終人類與外星智慧生命達成理解，深海深淵的神秘面紗被部分揭開。