故事开端，太阳活动异常引发的中微子穿透地球，导致地核温度急剧升高，地壳板块开始剧烈运动。地质学家艾德里安通过研究发现，这一变化将引发全球性的灾难：超级火山爆发、特大地震、海平面上升……他将预警报告提交给政府，却被告知这一消息需严格保密。与此同时，世界各国政府早已秘密启动“方舟计划”——在青藏高原秘密建造的巨型诺亚方舟，计划搭载精选的人类和物种，以延续文明。
主角杰克逊·柯蒂斯是一名落魄作家，带着两个孩子去黄石公园露营时，意外发现原本熟悉的湖泊消失，地面出现巨大裂缝。当地一名疯癫的电台主持人告诉他“末日即将来临”，并透露了方舟的存在。不久后，加州发生9.6级特大地震，城市瞬间崩塌，杰克逊驾车带着孩子惊险逃生，途中接上前妻凯特和她的男友戈登，一家人踏上了寻找方舟的艰难旅程。
为登上方舟，他们必须先拿到“登机牌”——一张由政府高层或富豪才能获得的通行证。杰克逊通过前妻的雇主、俄罗斯富豪尤里，搭上了飞往中国的私人飞机。途中，黄石超级火山爆发，火山灰遮天蔽日；夏威夷被海啸吞没；大西洋板块断裂，引发的巨型海啸直扑沿海城市。飞机穿越重重灾难，最终降落在西藏。
此时，方舟基地正经历最后的混乱：因方舟数量有限，原定的“精英筛选”规则被打破，大量平民涌向基地。杰克逊一家在当地藏民的帮助下，通过货运卡车接近方舟，却发现方舟的舱门因机械故障法关闭，海水已开始倒灌。危急时刻，杰克逊和戈登潜入方舟底部，手动修复了液压系统，舱门终于关闭。而尤里为保护儿子，在最后一刻被卷入洪流中牺牲。
当地球的剧烈震动逐渐平息，方舟缓缓浮出水面。幸存者们透过舷窗看到，曾经的大陆已被淹没，只有喜马拉雅山脉的顶峰露出水面。最终，方舟舰队驶向非洲大陆，那里成为人类文明新的起点。影片在希望与毁灭的交织中，了这场惊心动魄的末日逃生。