천재적인 두뇌의 소유자 리드(마일즈 텔러). 저명한 과학자 스톰 박사의 눈에 띄어 과학연구소 백스터에서 다른 차원으로 이동할 수 있는 발명품을 개발한다. 자신의 발명품을 이용해 연구원인 빅터(토비 캡벨), 스톰박사의 딸인 수(케이트 마라)와 아들 조니(마이클 B. 조던), 그리고 절친한 친구인 벤(제이미 벨)과 함께 무한한 에너지원이 있는 행성으로의 이동을 시도한 리드. 하지만 그곳에서 일어난 폭발로 인해 네 사람은 심각한 부상을 입게 되고, 빅터는 실종된다. 겨우 구조되어 깨어난 이들은 자신의 신체에 엄청난 변화가 생겼다는 사실을 알게 되고 갑작스러운 변화에 괴로워한다. 정부와 군관계자들은 그들을 무기로 이용하려 하고, 자신의 운명을 받아들인 네 사람은 강력한 힘, '닥터 둠'으로부터 지구를 구해야만 하는데……