A la fin du XIXème siècle, aux États-Unis, un groupe de cow-boys découvre et part explorer une mystérieuse vallée peuplée de créatures préhistoriques (animées par Ray Harryhausen), notamment un Eohippus, un styracosaure, un ptéranodon et un Ornithomimus.
Pendant les années 50 les apparitions d'objets volants non identifés se multiplient à travers le monde. Un jour, alors qu'ils circulent en voiture pour se rendre à la base ou ils travaillent sur un projet de lancement de fusées d'observation, le docteur Russel A.Marvin et sa jeune épouse...
