Professor Challenger, ein berühmter Biologe und Anthropologe, berichtet der Londoner Zoologischen Gesellschaft, dass er lebende Exemplare angeblich ausgestorbener Tiere, einschließlich Dinosaurier, auf einer Expedition in das Amazonasbecken und auf ein kaum bekanntes Plateau entdeckt hat.
Er fordert die Gesellschaft heraus, eine zweite Expedition auf das Plateau zu finanzieren. Zu Challengers Enttäuschung schließen sich ihm auf seiner zweiten Reise in den Amazonas einige sehr unscientifiche Personen an.
Diese Expeditionsgruppe umfasst den Großwildjäger Lord John Roxton und den Journalisten Ed Malone, dessen Verleger 100.000 Dollar für die Expedition vorschoss. Die abenteuerlustige Tochter des Verlegers, Jennifer, und sein Sohn David schließen sich der Gruppe am Kopf des Amazonas an.
Auch in der Gruppe sind der Zoologische Gesellschaftsgröße Professor Summerlee, der Hubschrauberpilot Manuel Gomez und sein Gehilfe Jose Costa. In der ersten Nacht auf dem Plateau zerstört ein Dinosaurier den Hubschrauber.
Während die Expedition fortschreitet, verfolgt Malone ein primitives Dschungelmädchen durch Spinnweben zu einer riesigen Spinne, tötet sie und bringt sie ins Lager zurück. Das Eingeborenenmädchen verliebt sich später in David.
Roxton streitet mit den anderen, und Eifersüchteleien um Jennifer führen zu einer Schlägerei zwischen Malone und Roxton. Sie entdecken das Tagebuch eines früheren Entdeckers, Burton White, der auf dem Plateau verloren gegangen war. Roxton wird mehrmals im Tagebuch erwähnt.
Roxton enthüllt, dass er das Plateau drei Jahre zuvor besucht hatte und behauptet, dass das Plateau einen Reichtum an Diamanten birgt. Dies motiviert Jose, bei der Gruppe zu bleiben, anstatt alleine zu fliehen.
Zu einem Zeitpunkt werden Malone und Jennifer von den anderen getrennt und haben eine lebensbedrohliche Begegnung mit zwei kämpfenden Dinosauriern. Kannibalen fangen die Gruppe, aber bevor sie zum Abendessen werden können, führt das Dschungelmädchen sie zu einem unterirdischen Gang, der vom Plateau hinunterführt.
Auf dem Weg begegnen sie Burton White, der jetzt als blinder Eremit lebt (Die Kannibalen haben ein Tabu gegen das Töten von Blinden). Sie stoßen auf weitere Hindernisse - Verfolgung durch die Kannibalen, Spinnenpflanzen, den "Friedhof der Verdammten" und einen Dinosaurier in einem Lavabecken, der die Diamanten bewacht und Costa tötet.
Gomez opfert sich, indem er einen Felsendamm bricht und den Dinosaurier tötet. Während eines Vulkanausbruchs entkommen die Überlebenden der Challenger-Gruppe vom Plateau, Challenger trägt das Ei eines Tyrannosaurus rex.
Die finanzielle Sicherheit der Gruppe ist gesichert, weil Lord Roxton ein paar der Taschen seines Jagdanzugs mit Diamanten gefüllt hat und sie mit allen teilt. Das Dinosaurierei schlüpft aus Versehen, und Professor Challenger beschließt, das Baby-T-Rex mit nach London zu nehmen.