2차 대전 후 냉전이 최고조에 다다른 1957년. 인디아나 존스(해리슨 포드)는 친한 동료 맥(레이 윈스톤)과 함께 미국 네바다주의 51구역 비밀창고에서 목숨을 위협하는 소련 특수부대 이리나 스팔코(케이트 블란쳇) 일당의 추격을 피해 힘겹게 탈출한다. 일상으로 돌아간 인디아나 존스는 대학에서 고고학 강의를 하며 평범하게 지내고 싶어하지만 비밀창고에서의 탈출 사건과 고고학 연구에 관련해 자신의 교수직을 해고하려는 정부의 또 다른 압력이 있다는 것을 알게 된다.

 어쩔 수 없이 모든 것을 정리하고 대학을 떠나려던 찰나, 그의 앞에 머트 윌리암스(샤이아 라보프)가 나타난다. 반항기 가득한 청년 머트와 존스는 크리스탈 해골 관련 여러 가지 비밀들을 늘어놓으며 수천 년 간 풀리지 않은 마야 문명의 비밀이자 고고학 사상 최고의 발견이 될 ‘크리스탈 해골’을 찾아 나서게 된다. 인디아나와 머트 일행은 크리스탈 해골을 찾아 페루 마야 문명의 전설의 도시로 향하게 되는데, 그들의 행방을 수소문하던 소련 군대의 수장 이리나 일당 역시 크리스탈 해골에 얽힌 미스터리를 풀어 세계를 정복할 야욕으로 그들을 쫓는다. 세계를 지배할 힘을 지닌 크리스탈 해골! 더욱 막강해진 적들의 등장! 지금껏 경험하지 못한 놀라운 모험이 시작된다!