Alors qu'il survolent l'océan dans un petit avion de tourisme, un père et ses deux fils, Karl et David, sont pris dans une tempête aussi violente que soudaine. Déstabilisé par les fortes turbulences, l'appareil échappe à tout contrôle et s'abîme dans la mer. Seuls Karl et David parviennent à s'extraire de la carlingue qui coule lentement. Leur père, dont la ceinture de sécurité est bloquée, disparaît dans les profondeurs. Encore sous le choc, les deux demi-frères aperçoivent une île à l'horizon, et parviennent à nager jusqu'à la plage...

Après le crash de leur avion, David et Karl ont échoué sur Dinotopia, une île peuplée d'humains vivant en harmonie avec des dinosaures. Mais des forces malfaisantes menacent d'asservir la pacifique communauté protégée par une mystérieuse énergie. les deux demi-frères intègrent la société dinotopienne en fonction de leurs affinités respectives...

Alors que David a incorporé les forces aériennes et s'initie, non sans difficultés, au pilotage des Skybax, dinosaures volants, Karl, déterminé à quitter cet univers où il ne se sent pas à sa place, compte sur l'aide du malfaisant Cyrus Crabbs. En échange de la carte des récifs qui entourent l'île, le jeune inconscient accepte de lui céder la pierre de soleil qui protège l'écloserie...