Молодой журналист в составе исследовательской экспедиции оказывается в загадочном Затерянном мире, который населяют динозавры и враждующие племена индейцев и человекообезьян.
Молодой ирландец Эдуард Дан Мелоун, сотрудник лондонского издания «Дейли-газетт», влюблён в очаровательную Глэдис Хангертон. Он пытается признаться ей в любви, но та пресекает эту попытку. Девушка мечтает быть женой, верной спутницей и единомышленницей прославленного героя, чтобы отблеск его славы падал и на неё. Глэдис заявляет, что отдаст руку и сердце только такому мужчине.
Решив непременно совершить выдающийся подвиг, Мелоун отправляется к редактору отдела «Последние новости» с просьбой дать ему поручение, сопряжённое с «приключениями и опасностями». Подумав, редактор предлагает Мелоуну разоблачить одного «шарлатана, современного Мюнхаузена» и отправляет журналиста к профессору Джорджу Эдуарду Челленджеру. Некоторое время назад профессор привёз из Южной Америки доказательства, подтверждающие, что доисторические животные до сих пор существуют. Научное сообщество признало эти доказательства фальсифицированными, чем ужасно разозлило Челленджера. С тех пор профессор свирепо накидывается на всякого, кто переступает порог его дома. Особенно сильно Челленджер ненавидит журналистов.
Представившись начинающим натуралистом, Мелоун отправляет профессору письмо с адреса журнала «Природа», в котором просит о встрече. Вскоре приходит ответное письмо с приглашением, и Мелоун отправляется к Челленджеру. Профессор, человек небольшого роста с очень мощными плечами, величественной осанкой, огромной головой, низким, гулким голосом и квадратной иссиня-чёрной бородой, очень быстро разоблачает мнимого натуралиста. Между ним и Мелоуном происходит драка. Дело доходит до полиции, но журналист отказывается предъявлять Челленджеру обвинение. Усмотрев в поведении журналиста «некие признаки добропорядочности», профессор меняет гнев на милость и показывает доказательства, привезённые им из Амазонии.
Путешествуя по притокам Амазонки, Челленджер попал в посёлок индейцев-кукама, где только что умер белый человек, американский художник Мепл-Уайт. Среди его вещей профессор обнаружил альбом с изображениями необычного плато и динозавра, словно нарисованного с натуры. С помощью индейцев Челленджер отыскал это плато. Взобраться на отвесные скалы он не смог, но зато сфотографировал сидящего на дереве птеродактиля, и привёз с собой часть его крыла и огромную кость динозавра. К сожалению, по пути домой лодка Челленджера перевернулась, снимки были безнадёжно испорчены, а кости были признаны мистификацией. По мнению профессора, это изолированное плато возникло благодаря вулканической деятельности много тысячелетий назад, во время юрского периода, поэтому доисторические животные обитают там по сей день.
Окончательно убедив Мелоуна в своём открытии, Челленджер приглашает его на лекцию в Зоологическом институте, на которой намерен присутствовать сам. На лекции, посвящённой происхождению земной фауны, профессор ставит под сомнение слова лектора о том, что доисторические животные давно вымерли. Затем Челленджер предлагает проверить справедливость его слов и отправить в Амазонию новую экспедицию. Участвовать в ней вызывается профессор сравнительной анатомии Саммерли, «высокий, желчный старик». Он требует от Челленджера координаты таинственного плато, но профессор хочет, чтобы в экспедицию вошли и более молодые люди, поскольку «путешествие будет сопряжено со многими трудностями и опасностями». Поняв, что ему выпадает шанс стать героем и завоевать сердце Глэдис, Мелоун вскакивает с места, но его опережает высокий, рыжеватый лорд Джон Рокстон, известный спортсмен, путешественник и охотник. Челленджер берёт в экспедицию обоих.
После лекции Рокстон зазывает Мелоуна к себе, чтобы поближе познакомится. Он даёт журналисту хорошую винтовку и рассказывает, что уже бывал в Южной Америке. Лорд воевал с перуанскими работорговцами, защищая местных крестьян, за что и получил прозвище «Бич божий».
Обязавшись присылать в газету регулярные отчёты о путешествии, Мелоун собирается в путь. Профессора Челленджера путники видят только на пристани, перед отправкой парохода, где тот даёт им конверт с координатами, и требует открыть его по прибытии в город Манаос на Амазонке, в определённый день и час. С этого момента повествование принимает вид отчётов Эдуарда Мелоуна.
Сменив океанский пароход на речной, экспедиция добирается до города Манаос в верховьях Амазонки. Несмотря на возраст, профессор Саммерли оказывается очень выносливым путешественником. Он уверен, «что Челленджер — шарлатан чистой воды». Лорд Джон, в свою очередь, верит в целесообразность экспедиции и наслаждается путешествием по любимой Амазонии. Дожидаясь назначенного Челленджером срока, путешественники нанимают слуг-носильщиков: великана-негра Самбо, двух метисов и трёх боливийских индейцев. Один из метисов, Гомес, говорит по-английски. Именно его Самбо однажды застал, подслушивающим разговоры путешественников.
Наконец, приходит время вскрыть письмо Челленджера, но в конверте оказазывается лишь чистый лист бумаги, что, по мнению Саммерли, подтверждало обман. В это время на пороге гасиенды, где остановились путники, появляется сам профессор. Таким оригинальным образом Челленджер присоединяется к экспедиции и возглавляет её.
Совершив трёхдневное путешествие на паровом катере вверх по Амазонке, путешественники высаживаются у индейского посёлка. Челленджер берёт с участников экспедиции обещание хранить в тайне географические координаты места, куда они направляются. Профессор нанимает два индейских челна, в которых экспедиция отправиляется вверх по притоку Амазонки, сопровождаемая гулом туземных барабанов: это означает, что путники вступили на запретную территорию. Всё это время профессора спорят по любому поводу и ведут себя, как большие дети.
Наконец Челленджер выводит спутников в заросший тростником проток. Три дня спустя проток обмелевает, и путешественники идут пешком. Через десять дней, преодолев трясину, горы и бескрайние бамбуковые заросли, экспедиция разбивает лагерь у подножия красных скал плато, запечатлённого в альбоме Мепл-Уайта. Неподалёку от плато высится одинокий утёс, на котором Челленджер видел птеродактиля. Утром спутники решают обогнуть плато, чтобы найти путь, по которому художник преодолел неприступные скалы.
По дороге они натыкаются на заброшенный лагерь и находят вехи, которыми Мепл-Уайт отмечал свой путь. В густых зарослях бамбука путники находят скелет человека белой расы, которого кто-то сбросил с вершины плато. Судя по остаткам личных вещей, это американец, спутник художника, о котором слышал Челленджер. Вехи Мепл-Уайта приводят в пещеру. Когда-то из пещеры был проход на плато, но теперь он завален камнями. Разочарованные путники выходят из пещеры и подвергаются нападению — их забрасывают камнями. В тот же вечер на их лагерь напало чудовище, в котором изумлённый Саммерли узнаёт птеродактиля. Учёный приносит торжественные извинения своему коллеге.
Через шесть дней друзья заканчивают обход горного кряжа, так и не отыскав удобного для подъёма места. Немного поразмыслив, Челленджер находит выход. Он забирается на утес, возвышающийся вровень с плато. На краю утёса растёт могучий бук. Путешественники рубят его топором, и дерево падает поперёк пропасти, образуя мост. Как только четверо путников переходят на плато, метис Гомес сбрасывает дерево в попасть — так он мстит за своего брата-рабовладельца, которого убил лорд Джон. Гомес недолго радуется мести — лорд Джон снимает его метким выстрелом. Второго метиса убивает верный Самбо, а перепуганные индейцы разбегаются. Затем негр забирается на утёс и переправляет друзьям провизию и снаряжение, а сам остаётся в лагере у подножия скал. Путники оказываются пленниками неприступного плато.
Они разбивают лагерь под огромным деревом гингко, обносят его колючими ветками и называют плато именем его первооткрывателя, художника Мепл-Уайта. Утром друзья начинают обследовать окрестности лагеря и вскоре натыкаются на семью игуанодонов. Пройдя через густой лес, они обнаруживают глубокую котловину, а в ней — колонию птеродактилей. Профессор Челленджер нечаянно привлекает их внимание, и зловонный твари нападают на исследователей. Лорду Джону приходится стрелять из ружья, но птеродактили всё же успевают ранить троих путешественников. Вернувшись в лагерь изрядно потрёпанными, они обнаруживают, что здесь кто-то побывал. Неведомое существо проникло внутрь ограды, спустившись с дерева гингко, и устроило в лагере беспорядок.
Укусы птеродактилей оказываются ядовитыми. Весь день друзья проводят в лагере, а Мелоуну кажется, что за ними следят. Лорд Джон не перестаёт размышлять о синей глине, которую заметил в гнездовище летучих тварей. Ночью на лагерь нападет чудовище, напоминающее гигантскую жабу с огромными клыками. Вооружившись горящим факелом, лорд Джон отгоняет чудище от ограды. Стрелять он не хочет — боится шумом привлечь кого-то более опасного. С этого момента путники не ложатся спать без охраны. Утром выясняется, что напавший на них хищный динозавр разорвал игуанодона. Рассматривая останки, исследователи замечают на коже непонятную нашлёпку из серого асфальта. Такие же нашлёпки путники замечают и у других игуанодонов.
Днём Саммерли поднимает вопрос о возвращении в Англию, однако Челленджер отказывается возвращаться домой без карты Страны Мепл-Уайта. На исследование плато может уйти много месяцев, но Мелоун находит решение. Он забирается на дерево гингко, одно из самых высоких на плато. Взбираясь на вершину дерева, журналист натыкается на существо с почти человеческим лицом, которое стремительно убегает. С вершины Мелоуну видно практически вся Страна с большим озером в центре. За озером виднеется гряда красноватых скал с отверстиями пещер. Журналист делает набросок карты. Профессора позволяют юноше дать название озеру, и Мелоун называет его «озеро Глэдис».
Взбудораженный успехом, Мелоун не может заснуть. Он решает самостоятельно спуститься к озеру и исследовать гряду с пещерами. Попав в ночной лес, журналист пугается, но идёт вперёд из чистого упрямства. Добравшись до озера, Мелоун обнаруживает, что входы в пещеры освещены кострами, «разжечь которые могла только человеческая рука». У озера юноша видит множество необычных существ, и среди них — динозавра, нарисованного Мепл-Уайтом. На обратном пути журналиста преследует жабоподобное чудовище. Убегая от хищника, он падает в яму-ловушку, явно вырытую человеком. С трудом выбравшись из ямы, Мелоун направляется к лагерю и вдруг слышит выстрел. Он думает, что это друзья ищут его, но, добравшись до места, обнаруживает лагерь разорённым и пустым.
Бросившись к краю плато, Мелоун видит, что один из индейцев вернулся, и просит верного Самбо послать его за помощью в ближайший туземный посёлок. Весь оставшийся день Мелоун безуспешно ищет пропавших друзей, а потом устраивается на ночёвку в опустевшем лагере. Ранним утром его будит лорд Джон, весь исцарапанный, в разодранной одежде. Он хватает оружие, провизию и уводит Мелоуна подальше от лагеря, в густые и колючие заросли. Спрятавшись, лорд Джон рассказывает, что на лагерь напали человекообезьяны и хотели их убить, но, к счастью, профессор Челленджер оказался удивительно похож на вождя человекообезьянноего племени. Вождь принял профессора за родню, а остальных звери связали и уволокли в своё селение. Вскоре туда привели и нескольких низкорослых индейцев. Человекообезьяны отвели их на площадку у обрыва и одного за другим сбросили вниз. Видимо, это был их обычный ритуал. Профессор Челленджер мог свободно передвигаться по селению. Он ослабил путы лорда Рокстона, и тому удалось сбежать. Лорд Джон опасается, что человекообезьяны принесут в жертву и Саммерли.
Мелоун и лорд Джон успевают вовремя. Произведя опустошение в рядах человекообезьян, они спасают не только профессоров, но и оставшихся в живых индейцев. Забрав из лагеря оставшееся оружие и еду, они укрываются в зарослях, где и проводят ночь. Утром их убежище находят человекообезьяны, один из зверей нападает на Мелоуна, и друзьям снова приходится спасаться. Один из индейцев оказывается сыном вождя. Он отводит друзей к пещерам, где живёт его племя. Путешественников принимают с почётом и знаками просят помочь расправится с человекообезьянним племенем. На следующее утро индейские воины выступают в поход, с помощью огнестрельного оружия путешественников расправляются с человекообезьянами, а самок и детёнышей берут в рабство.
После сражения путешественники становятся почётными гостями индейского племени. На просьбы показать путь во внешний мир индейцы отвечают отказам — они не хотят отпускать незнакомцев с чудесным оружием. Некоторое время путешественники живут возле озера, наблюдая за невиданными животными и питаясь мясом игуанодонов, которые служат индейцам домашними животными. Оказалось, что асфальтовые нашлёпки на коже ящеров — это что-то вроде клейма.
Друзья надеются на помощь Самбо, который уже послал за подмогой. Челленнджер тем временем находит гейзер с легковоспламеняющимся газом и пытается сконструировать воздушный шар, а лорд Джон надев на себя нечто, похожее на плетёную корзину, навещает гнездовище птеродактилей. Его всё еще интересует синяя глина.
Прибегнуть к изобретению Челенджера путники не успевают. Сын вождя не хочет удерживать людей, которые спасли племя, и даёт им план одной из пещер. Друзья исследуют её и находят выход с плато. Ночью они покидают Страну Мепл-Уайта, прихватив с собой тяжёлый груз. Как раз в это время прибывает помощь, обещанная Самбо.
Прибыв в Лондон, профессора выступают на заседании Зоологического института, где их снова осмеивают, а привезённые с плато фотографии называют подделками. Однако на сей раз у Челленджера имеются более весомые доказательства. В зал вносят огромный ящик с живым птеродактилем, которого поймал лорд Джон. Ящер начинает летать по залу, люди в панике разбегаются, а животное вылетает в окно. На следующий день его замечают летящим через Атлантику. Профессор Челленджер становится триумфатором.
Мелоун является к Глэдис, рассчитывая на взаимность, и обнаруживает её замужем за «маленьким рыжеватым субъектом». Журналист интересуется, какой подвиг совершил этот человек, чтобы завоевать руку и сердце неприступной Глэдис. Оказалось, что она стала женой обычного письмоводителя из нотариальной конторы.
Вечером друзья собираются у лорда Джона, и тот показывает им коробку, полную необработанных алмазов. Он не зря интересовался синей глиной — именно такая глина сопровождает алмазные россыпи в Кимберли. Лорд Джон делит алмазы поровну. На свою долю он хочет организовать вторую экспедицию в Затерянный мир, и Мелоун решает к нему присоединиться.
