Kirra Cooper se voit contre son gré obligée de quitter l'Australie pour rejoindre son grand-père en Afrique du Sud. Là-bas, elle découvre un bébé orque, échoué dans un lagon proche du parc d’attraction de son grand-père. Elle le nomme “Willy” et décide d’aider l'orque à retrouver son groupe. Cependant, un rival de son grand-père veut capturer l'animal pour en faire un spectacle très lucratif dans son parc concurrent.
1969, 80 km dans les eaux soviétiques. Le sous-marin USS Acushnet est en mission de reconnaissance quand il se fait attaquer par Moby Dick, une baleine de 150 mètres de long tout droit sortie de la préhistoire. Deux survivants sont connus: Boomer et son ami John Achab, qui fut le premier à détecter le monstre. L'attaque laissera des séquelles, Boomer ayant perdu l'usage de sa main droite, et Achab ayant perdu sa jambe. 40 ans plus tard, le Commandant Achab, aux commandes du dernier-né de la classe Virginia, l'USS Pequod, dont il a supervisé les modifications, décide de prendre sa revanche. Cessant toute communications avec l'Amiral De Deers, Chef d'état-major de la Troisième Flotte américaine — qui envoie Boomer, devenu Capitaine, pour l'arrêter — il poursuit Moby Dick à la trace de ses attaques et force une biologiste, le Docteur Michelle Herman, et son assistant, Pip, à l'aider à la retrouver afin de mettre un terme définitif à ses attaques…