14살이 된 님(빈디 어윈)은 새로운 원생동물 발견에 푹 빠져있는 과학자이자 딸바보인 아빠 루소(매튜 릴라드) 박사와 함께 외딴 섬에서 살고 있다. 상상하는 모든 것이 눈앞에 펼쳐지는 이 비밀의 섬을 너무나 사랑하는 님에게는 바다사자 셀키가 가장 친한 친구이자 눈앞에 펼쳐진 자연이 놀이터다. 그러나 평화로운 님의 섬에 위기가 찾아온다. 바로 유명한 리조트 회사인 버카니아에서 섬을 사들여 리조트를 지으려는 계획을 세운 것. 루소 박사는 섬에 리조트가 생기는 것을 막기 위해 도시로 나가고, 님은 연구실 밖으로는 한발도 움직이려 하지 않는 아빠의 조수 펠릭스와 함께 섬에 남는다. 님은 섬에 3개 이상의 멸종 위기종이 발견되면 멸종 위기종 서식지로 지정되어 보호 될 수 있다는 사실을 알아내고 멸종 위기 생물을 찾아 나선다. 한편 도시에 사는 14살의 소년 애드먼드는 3년간 모은 돈을 몽땅 털어 고깃배를 얻어 타고 님의 섬에 도착한다. 부모님과의 불화와 모험에 대한 그리움으로 섬에 온 애드먼드를 침입자로 생각한 님과 한바탕 소동을 겪지만 둘은 협심해서 멸종 위기 생물을 찾기로 한다. 그러나 애드먼드가 타고 왔던 고깃배의 선원들은 희귀한 동물들을 찾아 다니는 밀렵꾼 일당이었고, 그들도 몰래 섬으로 숨어드는데…